JP2004516782A - 前処理装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、電圧電源から交流電圧を受けて直流電圧（Ｖ_Ｏ ）を負荷に与えるように構成した整流器と、この整流器の電流を制御する切換えモード電源と、前記電圧電源の周波数よりも大きい帯域幅を有し、前処理装置の出力電圧（Ｖ_Ｏ ）をこの切換えモード電源に帰還させる制御ループとを有する当該前処理装置に関するものである。この帰還ループが、前記電圧電源の周波数の２倍に等しい帯域通過中心周波数を有し、前記出力電圧の点に接続されている帯域通過フィルタと、前記出力電圧及びこの帯域通過フィルタからの出力信号に基づいて帰還信号を発生させる手段とを具え、この帰還信号が通過帯域付近のリプルを減少させる。電圧帰還ループ中のリプルを排除することにより、前処理装置は、交流電源の為に本来存在するこのリプルを制御しようとする際のエネルギーの無駄を省く。

Description

【０００１】
本発明は、電圧電源から交流電圧を受けてこの交流電圧を整流するように構成した整流器と、この整流器の電流を制御する切換えモード電源と、前記電圧電源の周波数に等しい又はそれよりも大きい帯域幅を有する制御ブロックに、前処理装置の出力電圧を帰還させる帰還路とを有する当該前処理装置に関するものである。このような前処理装置（プレコンディショナ）は、ＩＥＣ６１０００−３−２条件を満足するいかなる電子装置にも、例えば、テレビジョン受信機に導入して有利である。
【０００２】
比較的一定の直流出力電圧を発振（通常、正弦波状の）電圧電源から得るためには、通常、電源電圧を４つのダイオードとキャパシタとから成るブリッジ整流器により整流する。このような簡単な解決策によると、交流線路入力電流の高調波成分が高くなる。その理由は、キャパシタの充電時間が短いので、ピーク電流が高くなる為である。このことにより、整流器における損失を不所望なものにもする。従って、より高調波の交流線路電流を発生させる努力が払われてきた。好適な解決策は、切換えモード電源（ＳＭＰＳ）を導入し、このＳＭＰＳを適切に制御するようにすることである。ＳＭＰＳに対する入力電流は、正弦波状（例えば、力率制御器を用いた場合）にするか、台形形状（ブロック状）にすることができる。この種類のシステムは今日、種々の電子装置に前処理装置として用いられている。
【０００３】
入力電圧が交流で、一定の電力を負荷に給電する整流器システムでは、ＳＭＰＳからの出力電圧は常に、周波数が電圧周波数の２倍であるリプルを有することが分る。状態がいかに変化しても前処理装置の出力電圧を予め決定したレベルに保つように設計した電圧制御ループが、このリプルを除去しようとすると、所望の電流形状が歪み、入力電流に追加の高調波が生じる。この欠点を回避するためには、制御ループの周波数帯域を極めて低い値（５０Ｈｚよりも低い値、代表的に８〜１０Ｈｚ）に制限し、これによりシステム中の交流電源の影響を排除するようにすることができる。帯域幅をこのように低くすると、出力電圧中のリプルが制御ループにとっていわゆる“見えない状態”になり、従って、制御ループはリプルを減少させようとしなくなる。しかも、帯域幅が低いと、システム特性が極めてゆっくりしてしまい、その結果、負荷インピーダンスの変化に対する応答が不満足なものとなる。
【０００４】
従って、帰還ループ中の帯域幅を高くする、好ましくは、交流電源の周波数、すなわち、通常商用電源の周波数、例えば、５０又は６０Ｈｚよりも高くする（フィルタの遮断周波数を高くする）のが望ましい。この解決策による欠点は、前述したように、出力電圧上のリプルが帰還ループ中で帰還され、ＳＡＭＰに対する入力電流を理想の波形からずらしてしまうということである。
【０００５】
本発明の目的は、帰還電圧の帯域幅を高くし、前述した問題を解決するようにした前処理装置を提供せんとするにある。
【０００６】
本発明によれば、この目的及びその他の目的を、頭書に記載した種類の前処理装置において、前記帰還路が、前記出力電圧を生じる端子に接続された帯域通過フィルタと、前記出力電圧と、この帯域通過フィルタの出力信号とに基づいて帰還信号を発生させ、この帰還信号によりこの帯域通過フィルタの通過帯域付近のリプルを低減させるようにする帰還信号発生手段とを有していることを特徴とする前処理装置により達成する。
【０００７】
帯域通過フィルタは、通過帯域付近の電圧発振を選択するように動作し、その出力信号を用いてリプルが殆どない制御帰還を達成する。帯域通過フィルタを用いてリプルの低減化を達成することにより、制御ループの帯域幅を犠牲にすることなく、リプルをなくすことができ、急激な負荷の変化に迅速に応答しうる。
【０００８】
電圧帰還ループ中のリプルを排除することにより、前処理装置は、交流電源の為に本来存在するこのリプルを制御しようとしてエネルギーをむだに費やすことはない。
【０００９】
本発明による前処理装置は、例えば、７５Ｗよりも大きな入力電力を必要とするＬＣＤモニタ用いることができる。
【００１０】
本発明の好適例によれば、前記帰還信号発生手段が、前記出力電圧と前記帯域通過フィルタの出力信号との間の差に等しい帰還信号を発生させるために、前記出力電圧を生じる端子に接続された第１入力端子と、前記帯域通過フィルタの出力信号を生じる端子に接続された第２入力端子とを有する減算器を具えているようにする。
【００１１】
本発明の他の好適例によれば、前記帯域通過フィルタが反転用フィルタであり、前記帰還信号発生手段が、前記出力電圧と前記帯域通過フィルタの出力信号との間の和に等しい帰還信号を発生させるために、前記出力電圧を生じる端子に接続された第１入力端子と、前記帯域通過フィルタの出力信号を生じる端子に接続された第２入力端子とを有する加算器を具えているようにする。
【００１２】
帯域通過フィルタは、電圧電源周波数の２倍にほぼ等しい中心周波数（ω_０ ）を有するのが好ましい。これにより、交流電源から生じるリプルを有効に排除する。
【００１３】
本発明の他の好適例によれば、前記帯域通過フィルタが通過帯域の異なる２つの個別の帯域通過フィルタより成り、これら帯域通過フィルタが互いに並列に接続され、これらの出力が互いに加算されるようにする。このようにするのは、商用電源周波数が異なる種々の国々を含む大きな市場に前処理装置を流通させる上で有利なことである。５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用電源周波数から生じるリプルを有効に選択するために、一方の通過帯域は９０〜１１０Ｈｚにあり、他方の通過帯域は１１０〜１３０Ｈｚにあるようにするのが好ましい。
【００１４】
切換えモード電源は例えば、パルス幅変調器を有するようにしうる。
【００１５】
本発明の上述した観点及びその他の観点は、以下の図面に関する実施例の説明から明らかとなるであろう。
図１に示す前処理装置（プレコンディショナ）１は、整流器２と、例えばパルス幅変調器を有する切換えモード電源（ＳＭＰＳ）３と、帰還路４とを有する。整流器２は、電源５、好ましくは商用電源から交流電圧（Ｖ_ＡＣ）を受け、直流電流（Ｉ_Ｌｏａｄ）を負荷６に供給する。ＳＭＰＳ３は、整流器を流れる電流を制御して、この電流の高調波成分を低減させる。ＳＭＰＳ３は、帰還路４から電圧制御信号（Ｖ_Ｃ ）を受ける。
【００１６】
図２は、前処理装置１の詳細例を示し、この前処理装置は、４つのダイオードを有するブリッジ整流器２と、コイル８及び制御ブロック７を有するＳＭＰＳ３とを具えている。図２から明らかなように、制御ブロック７は、コイル８と直列に接続されたスイッチング素子９を駆動するとともに、電流検知抵抗Ｒ１を流れる電流ｉ_ｆｅｅｄの値を受ける。更に、帰還路４は制御ブロック７に帰還電圧を供給する。
【００１７】
本発明によれば、帰還路４は、帯域通過フィルタ１０と減算器１１とを有している。フィルタ１０の入力端子１２は出力電圧Ｖ_Ｏ の端子に接続されており、その出力信号（Ｖ_ｂ ）の端子は減算器１１の負入力端子１３に接続されている。減算器１１の正入力端子は出力電圧Ｖ_Ｏ の端子に直接接続されている。従って、制御ブロック７に与えられる減算器の出力（Ｖ_ｃ ）は出力電圧Ｖ_Ｏ からフィルタ出力（Ｖ_ｂ ）を引いた値に等しくなる。
【００１８】
帯域通過フィルタ１０はその最も簡単な形態で以下の伝達関数を有しうる。
【数１】

ここに、ｋ_０ は、フィルタの最大利得であり、
ω_０ は、（通常、５０又は６０Ｈｚである）交流入力周波数の２倍に選択した所望の帯域通過中心周波数であり、
Ｑは、フィルタの帯域幅に影響を及ぼすクオリティファクタであり（Ｑが高くなる程、フィルタの帯域幅は狭くなる）、
ｓは、複素周波数である。
【００１９】
フィルタ中の構成素子の公差や、制御ループの安定性に関する条件がＱの値を制限するものであり、試験中ほぼ５の値を選択した。前述したように、所望の帯域通過中心周波数は商用電源の周波数に依存し、この周波数は世界の色々な場所で異なる為、その機能、すなわち、１００Ｈｚ又は１２０Ｈｚの周波数のリプルを排除する機能を５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの双方に等しい商用電源周波数に対し実行するフィルタを開発するのが有利である。このようなフィルタの設計を図３に示す。
【００２０】
この場合のフィルタ１０は、２つの異なる帯域通過フィルタ２１及び２２を有し、これらの各々は前記の式（１）による標準の帯域通過設計を有するが、これらの帯域通過中心周波数は互いに異なり、ω_０１及びω_０２である。所望の特性の帯域通過効果を達成するには、ω_０１を９４Ｈｚ付近とし、ω_０２を１２６Ｈｚ付近とする必要がある。
【００２１】
制御ループの他の設計例として、フィルタ出力Ｖ_ｂ を出力電圧Ｖ_Ｏ から減算するのではなく、フィルタ出力Ｖ_ｂ を出力電圧Ｖ_Ｏ に加える移相フィルタを構成する。この場合で、図３による二重フィルタを用いる場合には、フィルタの反転特性を維持するためにフィルタによる移相を１８０度付近に保つ注意を払う必要がある。
【００２２】
試験的に、ω_０１＝９４．４及びω_０２＝１２６．５を有する２つの反転用帯域通過フィルタより成るフィルタを構成したところ、このフィルタの出力は１００Ｈｚリプル及び１２０Ｈｚリプルの１／６に等しいものとなった。
【００２３】
図４は、本発明による帰還路がある場合と、帰還路がない場合とで測定した入力電流（３２、３１）及び出力電圧（３３、３４）を表わす曲線を表わすグラフ線図である。図４から明らかなように、出力電圧は本質的に変化せず、１００Ｈｚのリプルを維持している。本発明の利点は、入力電流に関して明らかとなる。帯域通過フィルタがないと、入力電流の台形形状がリプルにより歪み、これは特に曲線３１上の点Ａ及びＢ間で明らかである。一方、帯域通過フィルタがあると、入力電流はそれほど歪まず、曲線３２上の点Ａ及びＢ間で入力電流を著しく安定にする。
【００２４】
本発明は、上述した実施例に限定されず、例えば種々のフィルタ設計を含む幾多の変更を加えうること、明らかである。本発明の概念は、帰還信号中のリプルを低減又は排除するために、帯域通過濾波した出力電圧を用いることにある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による前処理装置を示すブロック線図である。
【図２】図１に示す前処理装置の詳細回路図である。
【図３】本発明による可能なフィルタ設計を示すブロック線図である。
【図４】入力電流及び出力電圧を示す線図である。

Claims (7)

1. 電圧電源から交流電圧を受けてこの交流電圧を整流するように構成した整流器と、
   この整流器の電流を制御する切換えモード電源と、
   前記電圧電源の周波数に等しい又はそれよりも大きい帯域幅を有する制御ブロックに、前処理装置の出力電圧を帰還させる帰還路と
   を有する前記前処理装置において、
   前記帰還路が、
   前記出力電圧を生じる端子に接続された帯域通過フィルタと、
   前記出力電圧と、この帯域通過フィルタの出力信号とに基づいて帰還信号を発生させ、この帰還信号によりこの帯域通過フィルタの通過帯域付近のリプルを低減させるようにする帰還信号発生手段と
   を有していることを特徴とする前処理装置。
2. 請求項１に記載の前処理装置において、前記帰還信号発生手段が、前記出力電圧と前記帯域通過フィルタの出力信号との間の差に等しい帰還信号を発生させるために、前記出力電圧を生じる端子に接続された第１入力端子と、前記帯域通過フィルタの出力信号を生じる端子に接続された第２入力端子とを有する減算器を具えている前処理装置。
3. 請求項１に記載の前処理装置において、前記帯域通過フィルタが反転用フィルタであり、前記帰還信号発生手段が、前記出力電圧と前記帯域通過フィルタの出力信号との間の和に等しい帰還信号を発生させるために、前記出力電圧を生じる端子に接続された第１入力端子と、前記帯域通過フィルタの出力信号を生じる端子に接続された第２入力端子とを有する加算器を具えている前処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の前処理装置において、前記帯域通過フィルタが、前記電圧電源の周波数の２倍付近の中心周波数を持つ通過帯域を有している前処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の前処理装置において、前記帯域通過フィルタが２つの個別の帯域通過フィルタより成り、これら帯域通過フィルタが互いに並列に接続され、これらの中心周波数が互いに異なっている前処理装置。
6. 請求項５に記載の前処理装置において、一方の通過帯域が９０〜１１０Ｈｚにあり、他方の通過帯域が１１０〜１３０Ｈｚにある前処理装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の前処理装置において、前記切換えモード電源がパルス幅変調器を有している前処理装置。