JP2006230135A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない部品で力率を改善することができるスイッチング電源装置を提供すること。
【解決手段】 全波整流器（１２）と入力平滑コンデンサ（Ｃｉ）との間に配置された力率改善回路（１７Ａ）は、トランス（Ｔ）と磁気的に結合した補助巻線（ＮB２）に誘起された高周波の電圧を入力平滑コンデンサ（Ｃｉ）の入力電源電圧に重畳して、力率を改善する。力率改善回路（１７Ａ）は、全波整流器（１２）の正極端子に一端が接続されたインダクタ（Ｌ１）と、このインダクタの他端と入力平滑コンデンサ（Ｃｉ）との間に接続されたダイオード（Ｄ６）と、補助巻線（ＮB２）とインダクタ（Ｌ１）の他端との間に接続されたコンデンサ（Ｃ３）とから構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、力率を改善したスイッチング電源装置に関する。

この技術分野において周知のように、スイッチング電源装置には、共振形コンバータを使用したものと、スイッチングコンバータを使用したものとがある。一方、共振形コンバータは、フルブリッジ共振形コンバータと、ハーフブリッジ共振形コンバータとに分類される。

図１を参照して、従来の共振形コンバータを使用したスイッチング電源装置について説明する。

交流電源１１からの交流電圧は全波整流器１２で全波整流される。図示の全波整流器１２はダイオードブリッジで構成されている。この全波整流器１２で全波整流された電圧は入力平滑コンデンサＣｉで平滑され、入力電源電圧が得られる。すなわち、全波整流器１２と入力平滑コンデンサＣｉとによって直流電源が構成される。

入力電源電圧は共振形コンバータ１３に印加される。図示の共振形コンバータ１３はハーフブリッジ共振形コンバータである。共振形コンバータ１３は、平滑コンデンサＣｉの両端間に接続された、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２から成る直列回路を含む。第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２の各々は、Ｎチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる。第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２には、逆方向並列に第１及び第２のダイオードＤ１、Ｄ２が接続されている。尚、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２は、纏めてスイッチング手段と呼ばれる。

第２のスイッチＱ２に並列に、トランスＴの１次巻線Ｎpと共振用コンデンサＣｒとのＬＣ直列共振回路が接続されている。尚、ＬＣ直列共振回路は単に共振回路とも呼ばれる。トランスＴは２次巻線ＮS１、ＮS２を持つ。これら２次巻線ＮS１、ＮS２の一端は、それぞれ、第１及び第２の出力整流ダイオードＤ３、Ｄ４を介して出力平滑コンデンサＣｏに接続されている。すなわち、第１及び第２の出力整流ダイオードＤ３、Ｄ４と出力平滑コンデンサＣｏとによって出力整流平滑回路が構成される。尚、出力整流平滑回路は単に出力回路とも呼ばれる。出力平滑コンデンサＣｏの両端の電圧は、出力電源電圧として負荷１４に印加される。

第１及び第４のスイッチＱ１、Ｑ２の制御電極（ゲート）には制御回路１５が接続される。制御回路１５は、トランスＴの補助巻線ＮBにダイオードＤ５及びコンデンサＣ１を介して接続されている。すなわち、補助巻線ＮBとダイオードＤ５とコンデンサＣ１との組み合わせは、制御回路１５へ電力を供給するための補助電源として働く。制御回路１５は、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２のオン／オフを制御する。

上述したスイッチング電源装置は、コンデンサインプット型平滑回路Ｃｉを持つ。このような構成のスイッチング電源装置において、交流電源１１からの入力電流は、入力平滑コンデンサＣｉの充電期間のみ流れるため、パルス状となる。パルス状の電流は、広い周波数帯域を持つため、交流電源１１の電源周波数の高調波成分も含む。その為、交流電源１１が商用電源の場合、この交流電源１１に接続される他の機器や送配電設備への影響が心配される。

そこで、このような高調波成分を低減する方法として、アクティブフィルタ回路を使用して力率を改善したスイッチング電源が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図２に力率を改善したスイッチング電源を示す。図示のスイッチング電源は、全波整流器１２と入力平滑コンデンサＣｉとの間に、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１６と、アクティブフィルタ１７とを挿入したものである。それ以外の構成は、図１に示した従来のスイッチング電源と同様である。図１と同一の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明は省略する。

ローパスフィルタ１６は、全波整流器１２の出力端子間に並列に接続されたコンデンサＣ２のみから構成されている。

アクティブフィルタ１７は、インダクタＬ１と、ダイオードＤ６と、スイッチ素子ＳＷ１とから構成されている。インダクタＬ１の一端は、全波整流器１２の正極出力端子に接続されている。ダイオードＤ６は、インダクタＬ１の他端と入力平滑コンデンサＣｉの一端（電源入力端子）との間に挿入されている。スイッチ素子ＳＷ１は、インダクタＬ１の他端と全波整流器１２の負極出力端子（接地端子）との間に設けられている。尚、アクティブフィルタ１７は昇圧チョッパ回路とも呼ばれる。

このような構成のスイッチング電源装置では、スイッチ素子ＳＷ１が交流電源１１の電源周波数より高い周波数でオン、オフし、スイッチ素子ＳＷ１のオン時にインダクタＬ１に電流を蓄え、スイッチ素子ＳＷ１のオフ時にインダクタＬ１に蓄えた電流を放出する動作を繰り返すことによって、入力電流の波形を電圧波形の正弦波に近似させる。これにより、力率を１近くまで改善することができる。

また、交流電源を整流して得られる脈流電圧の電圧低下部分を補う直流電圧源をスイッチング電源回路を用いて発生することにより、力率を改善したスイッチング電源装置も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平７−１５９６７号公報（図９） 特開平２−２５４９４７号公報

しかしながら、図２に示した従来の力率を改善したスイッチング電源装置では、専用のスイッチ素子ＳＷ１と、そのスイッチ素子ＳＷ１を駆動するための駆動回路が必要になる。その結果、部品数が増加し、コストが高くなるという問題がある。尚、特許文献２に開示された先行技術は、高周波を重畳する方式とは異なり、入力電流波形を変形する方式を開示しているに過ぎない。

したがって、本発明の課題は、少ない部品で力率を改善することができる、スイッチング電源装置を提供することにある。

本発明によれば、交流電源（１１）からの交流電圧を整流して整流した電圧を出力する整流手段（１２）と、前記整流した電圧を平滑して入力電源電圧を出力する入力平滑コンデンサ（Ｃｉ）と、前記入力電源電圧が印加されるコンバータであって、スイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２；２１）とトランス（Ｔ）とを含む前記コンバータ（１３、１３Ａ）と、を備えたスイッチング電源装置において、前記整流手段と前記入力平滑コンデンサとの間に配置され、前記トランスと磁気的に結合した補助巻線（ＮB；ＮB２）に誘起された高周波の電圧を前記入力平滑コンデンサの前記入力電源電圧に重畳して、力率を改善する力率改善回路（１７Ａ;１７Ｂ）を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置が得られる。

上記スイッチング電源装置において、前記力率改善回路（１７Ａ;１７Ｂ）は、例えば、前記整流手段の正極端子に一端が接続されたインダクタ（Ｌ１）と、該インダクタの他端と前記入力平滑コンデンサとの間に接続されたダイオード（Ｄ６）と、前記補助巻線と前記インダクタの他端との間に接続されたコンデンサ（Ｃ３）とから構成されて良い。また、上記スイッチング電源装置は、前記整流手段と前記力率改善回路との間に設けられたローパスフィルタ（１６）を更に有することが好ましい。ローパスフィルタ（１６）は、例えば、前記整流手段の出力端子間に並列に接続されたコンデンサ（Ｃ２）から構成されるもので良い。前記補助巻線は、前記スイッチング手段のオン／オフを制御する制御回路（１５；１５Ａ）へ電力を供給するための補助巻線（ＮB）であって良い。前記コンバータは、共振形コンバータ(１３)であって良いし、スイッチングコンバータ(１３Ａ)であっても良い。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、整流手段と入力平滑コンデンサとの間に配置された力率改善回路が、トランスと磁気的に結合した補助巻線に誘起された高周波の電圧を入力平滑コンデンサの入力電源電圧に重畳して、力率を改善するので、従来必要であった専用のスイッチ素子やそれを駆動するための駆動回路が不要となり、少数の部品で力率改善回路を構成することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図３を参照して、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置について説明する。図示のスイッチング電源装置は、アクティブフィルタ１７の代わりに力率改善回路１７Ａを備えている点を除いて、図２に示したスイッチング電源装置と同様の構成を有し動作をする。従って、図２に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明を省略する。

力率改善回路１７ＡはＰＦＣ（power factor correction）回路とも呼ばれる。力率改善回路１７Ａは、スイッチ素子ＳＷ１の代わりに、トランスＴと磁気的に結合した第２の補助巻線ＮB２と、コンデンサＣ３との組み合わせを用いている点を除いて、図２に示したアクティブフィルタ回路１７と同様の構成を有する。

すなわち、第２の補助巻線ＮB２は、コンデンサＣ３を介して、インダクタＬ１とダイオードＤ６との接続点に接続されている。

このような構成のスイッチング電源装置では、第２の補助巻線ＮB２に誘起された高周波の電圧がコンデンサＣ３を介してインダクタＬ１に印加される。これにより、インダクタＬ１に高周波の電位差を重畳して、入力平滑コンデンサＣｉの入力電源電圧に高周波を重畳することができる。この結果、パルス状の入力電流の導通角を広げることができ、本スイッチング電源装置の力率を改善することができる。尚、重畳した高周波成分はローパスフィルタ１６により除去される。

図２に示したスイッチング電源装置に使用されるアクティブフィルタ回路１７は、専用のスイッチ素子ＳＷ１とその駆動回路を必要としていたが、本スイッチング電源装置に使用される力率改善回路１７Ａは、このような回路部品を必要としないため、少数の部品で構成することができる。

図４を参照して、本発明の第２の実施の形態に係るスイッチング電源装置について説明する。図示のスイッチング電源装置は、力率改善回路が後述するように変更されている点を除いて、図３に示したスイッチング電源装置と同様の構成を有し動作をする。従って、力率改善回路に１７Ｂの参照符号を付してある。また、図３に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明を省略する。

図示の力率改善回路１７Ｂは、補助巻線として、制御回路１５へ電力を供給するために使用される補助巻線ＮBを共用している点を除いて、図３に示した力率改善回路１７Ａと同様の構成を有する。

このような構成のスイッチング電源装置では、補助巻線ＮBを力率改善回路１７Ｂと制御回路１５とで共用するので、図３のものより、部品点数を削減することができる。

上記本発明の第１及び第２の実施の形態に係るスイッチング電源装置では、コンバータとして共振形コンバータ１３を使用しているが、コンバータとしては共振形コンバータ１３に限定されず、トランスＴを使用するコンバータにも適用できる。

図５を参照して、本発明の第３の実施の形態に係るスイッチング電源装置について説明する。図示のスイッチング電源装置は、コンバータとして、共振形コンバータ１３の代わりにスイッチングコンバータ１３Ａを使用した点を除いて、図３に示したスイッチング電源装置と同様の構成を有し動作をする。図３に示したものと同様の機能を有するものには同一の参照符号を付して、説明の簡略化のためにそれらの説明を省略する。

図示のスイッチングコンバータ１３Ａは、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２、第１及び第２のダイオードＤ１、Ｄ２、及び共振用コンデンサＣｒの代わりにスイッチング回路２１を備えると共に、第１及び第２の出力整流ダイオードＤ３、Ｄ４の代わりに整流回路２２を備えている点を除いて、図３に示した共振形コンバータ１３と同様の構成を有する。

このような構成のスイッチング電源装置でも、図３に示したスイッチング電源装置と同様に、力率改善回路１７Ａを少数の部品で構成することができるという効果を奏する。

尚、図５に示したスイッチング電源装置においても、図４に示したスイッチング電源装置の力率改善回路１７Ｂと同様に、補助巻線を力率改善回路と制御回路とで共用するように構成しても良いのは勿論である。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、上述した実施の形態では、ローパスフィルタ１６としてコンデンサＣ２のみで構成されたものを用いているが、コンデンサとインダクタ等を組み合わせた種々の構成のローパスフィルタを使用しても良いのは言うまでもない。また、上述した実施の形態では、入力側の整流器として全波整流器１２を使用しているが、全波整流器以外の整流手段を使用しても良い。共振形コンバータとしては、ハーフブルッジ共振形コンバータに限定されず、フルブリッジ共振形コンバータでも良い。又、本発明は、コンバータとしては、トランスを含むコンバータにも適用できる。

従来のスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 従来の力率を改善したスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 交流電源
１２ 全波整流器（ダイオードブリッジ）
１３ 共振形コンバータ
１３Ａ スイッチングコンバータ
１４ 負荷
１５ 制御回路
１６ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
１７Ａ、１７Ｂ 力率改善回路（ＰＦＣ回路）
Ｃｉ 入力平滑コンデンサ
Ｌ１ インダクタ
Ｄ６ ダイオード
Ｃ２、Ｃ３ コンデンサ
ＮB 補助巻線
ＮB２ 第２の補助巻線

Claims (7)

1. 交流電源からの交流電圧を整流して整流した電圧を出力する整流手段と、前記整流した電圧を平滑して入力電源電圧を出力する入力平滑コンデンサと、前記入力電源電圧が印加されるコンバータであって、スイッチング手段とトランスとを含む前記コンバータと、を備えたスイッチング電源装置において、
   前記整流手段と前記入力平滑コンデンサとの間に配置され、前記トランスと磁気的に結合した補助巻線に誘起された高周波の電圧を前記入力平滑コンデンサの前記入力電源電圧に重畳して、力率を改善する力率改善回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記力率改善回路は、前記整流手段の正極端子に一端が接続されたインダクタと、該インダクタの他端と前記入力平滑コンデンサとの間に接続されたダイオードと、前記補助巻線と前記インダクタの他端との間に接続されたコンデンサとを有する、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記整流手段と前記力率改善回路との間に設けられたローパスフィルタを更に有する、請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記ローパスフィルタが前記整流手段の出力端子間に並列に接続されたコンデンサから成る、請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記補助巻線が、前記スイッチング手段のオン／オフを制御する制御回路へ電力を供給するための補助巻線である、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
6. 前記コンバータが共振形コンバータである、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
7. 前記コンバータがスイッチングコンバータである、請求項１乃至５のいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
   

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