JP2012249495A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、消費電力の低減を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う昇圧型の力率改善部３と、力率改善部３が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷５に供給する定電圧電力供給部４と、力率改善部３に対して、所定の昇圧率として、負荷５のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部１０と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関するものである。

特許文献１に記載されている電源装置は、昇圧型の力率改善回路を備えている。昇圧型の力率改善回路は、供給される電力の電圧値を昇圧しながら、当該電力の電圧波形と電流波形とを揃える機能を有している。力率改善回路で波形が揃えられた電力はスイッチング電源において定電圧電力とされ、後段の負荷へ供給される。

この種の力率改善回路は、負荷のインピーダンスの逆数が所定の閾値よりも小さいとき（負荷が軽いとき）には力率改善処理を停止する。これにより、負荷が軽いときには、所定の閾値よりも小さいときに、電源装置の回路損失の低減が図られる。

特開２００４−２８９８９３号公報

しかしながら、上記した電源装置では、以下の問題が存在する。つまり、上記した電源装置では、負荷のインピーダンスの逆数が所定の閾値よりも小さくないときには、なんら消費電力低減のための措置が図られていない。一般に、昇圧型の力率改善回路は、昇圧率が大きくなるほど、回路損失が増大することが知られている。

特に、供給される電力の電圧値が各々異なる地域で使用可能な全世界対応の電源装置（いわゆるユニバーサル電源）では、供給される電力の電圧値が小さいほど、連続的に電流を流すため、昇圧率が大きく設定されている。しかしながら、この種の電源装置は、１地域でのみ使用可能な電源装置と比べて昇圧率が大きいので回路損失が大きくなる。

一般に、負荷のインピーダンスの逆数は、その値が大きくなるほど、負荷に流れる電流の電流量が多いことを示し、反面、その値が小さくなるほど、負荷に流れる電流の電流量が少ないことを示すことが知られている。そして、入力電流の歪が大きくなると高調波電流が増加することが知られている。

本発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る電源装置は、供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、前記電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う力率改善部と、前記力率改善部が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷に供給する定電圧電力供給部と、前記力率改善部に対して、前記所定の昇圧率として、前記負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、前記電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部と、を備えることを特徴とする（請求項１）。

この構成によれば、供給される電力の電圧値は、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流の発生を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる。

上記構成において、前記昇圧制御部は、前記負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、前記昇圧率を比例的に大きくする構成とすることができる（請求項２）。

この構成によれば、負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、昇圧率を比例的に大きくする。これにより、負荷に応じた回路損失の低減が可能となる。

上記構成において、前記負荷のインピーダンスの逆数が、予め設定された設定値を超えるときには、最大昇圧率として予め設定された昇圧率で、前記力率改善部に対して前記電力の電圧値を昇圧させる構成とすることができる（請求項３）。

この構成によれば、負荷のインピーダンスの逆数が所定の設定値を超えるときには、供給される電力が最大の昇圧率で昇圧される。これにより、高調波電流の発生を所定の値以下に抑えることができる。

上記構成において、前記負荷において生じる電圧降下の大きさを検出することによって、前記負荷のインピーダンスの逆数を求める逆数演算部をさらに備える構成とすることができる（請求項４）。

この構成によれば、負荷において生じる電圧降下の大きさを検出すれば、負荷のインピーダンスの逆数が求まるので、負荷のインピーダンスの逆数を簡易に求めることができる。

本発明によれば、供給される電力の電力値が、負荷の重さを表す、負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で昇圧されるため、負荷のインピーダンスの逆数に応じて、適切に、高調波電流を抑制しつつ、回路損失の低減を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る電源装置の一例を示した回路図である。 力率改善処理の概要を説明するための図である。 負荷率と昇圧電圧との相関の一例を示した図である。

以下に、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る電源装置の一例を示した回路図である。図２は、力率改善処理の概要を説明するための図である。

図１に示される電源装置１は、交流電力受付部２、昇圧部（力率改善部）３、及び、定電圧電力供給部４を備える。交流電力受付部２は、１００Ｖ〜２４０Ｖの範囲内で各々実効電圧値が異なる交流電力を受け付ける端子Ｔ１及びＴ２を備える。また、交流電力受付部２は、コンデンサＣ１、Ｃ２及びフィルタコイルＬ１からなるフィルタ回路を備える。このフィルタ回路において、供給された交流電力からノイズ成分が除去される。

さらに、交流電力受付部２は、放電用抵抗Ｒ１を備える。放電用抵抗Ｒ１は、端子Ｔ１及びＴ２が交流電源から切り離された際に、人が端子Ｔ１及びＴ２に触れても、コンデンサＣ１及びＣ２における充電電力によって感電しないようにするために設けられている。これにより、端子Ｔ１及びＴ２が電源プラグの栓刃である際に、人が電源プラグをコンセント装置から引き抜いた後には、放電用抵抗Ｒ１を通じてコンデンサＣ１及びＣ２による放電が行われるので、コンデンサＣ１及びＣ２の充電電力は０となる。そのため、端子Ｔ１及びＴ２に人が触れても感電しない。

また、交流電力受付部２は、ノイズ成分が除去された交流電力を全波整流して脈流を生成するダイオードブリッジＤ１を備える。生成された脈流は、力率改善部３へ供給される。ここに、脈流とは、流れる方向が一定で、大きさが周期的に変化している電流を意味する。

力率改善部３は、昇圧型のＰＦＣ回路（power factor control circuit；力率改善回路）で構成されている。この力率改善部３は、チョークコイルＬ２、ＭＯＳＦＥＴで構成されたスイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ２、平滑コンデンサＣ３、平滑コンデンサＣ３の充電電圧をモニタリングするための２つの抵抗Ｒ２及びＲ３、昇圧制御回路（昇圧制御部）１０、及び、制御回路１１を備える。

この力率改善部３において、昇圧制御回路１０は、ダイオードブリッジＤ１で生成された脈流を受け付けて、その脈流を起動電流（昇圧制御回路起動電流）として受け付けて動作する。

この力率改善部３において、昇圧制御回路１０は、制御回路１１による制御の下で、以下に示される力率改善処理を行う。昇圧制御回路１０は、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子にゲート電圧を印加することによって、ドレイン電流を流す。これにより、スイッチング素子Ｑ１がオン状態となる。一方、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子にゲート電圧が印加されていないときには、ドレイン電流が流れないので、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態となる。

昇圧制御回路１０は、スイッチング素子Ｑ１をオンオフさせて、平滑コンデンサＣ３から放電される電流の波形を、端子Ｔ１及びＴ２から入力される交流電源に近似する波形に整える制御を行う。

昇圧制御回路１０は、図２（ａ）に示される平滑コンデンサＣ３の端子間電圧（充電電圧）の電圧レベルと、図２（ａ）に示される全波整流電圧波形とを監視している。そして、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧と、全波整流電圧波形とに基づいて、スイッチング素子Ｑ１のゲート端子に出力するパルスのデューティ比を決定する。

そして、昇圧制御回路１０は、決定したデューティ比のパルスをスイッチング素子Ｑ１のゲート端子に出力して、ＯＮｄｕｔｙ期間にスイッチング素子Ｑ１をオン状態とさせ、ＯＦＦｄｕｔｙ期間にスイッチング素子Ｑ１をオフ状態とさせる。

これにより、スイッチング素子Ｑ１がオン状態のときにチョークコイルＬ２に電流が流れてチョークコイルＬ２に電気エネルギーが蓄積する。スイッチング素子Ｑ１がオン状態のときにチョークコイルＬ２を流れる電流（図２（ｃ）の実線に示される三角形状の電流）は、いわゆるチョッパ電流と呼ばれる。このようなチョッパ電流がチョークコイルＬ２を流れる頻度が多いほど、力率が好適に改善される。従って、スイッチング素子Ｑ１がオン状態となる頻度が多いほど力率が好適に改善される。

一方、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態のときにチョークコイルＬ２の電気エネルギーが逆流防止用のダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣ３に流入する。その際、平滑コンデンサＣ３が充電される。平滑コンデンサＣ３には、チョークコイルＬ２に蓄えられた電気エネルギーが供給されて充電されるので、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧は、ダイオードブリッジＤ１で生成された脈流の最大振幅値よりも高い電圧値となる。そして、チョークコイルＬ２から供給される電気エネルギーの電圧値が、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧を下回ったときに、平滑コンデンサＣ３において放電が生じる。

また、力率改善部３において、抵抗Ｒ２及びＲ３からなる直列回路が平滑コンデンサＣ３と並列に接続されている。抵抗Ｒ２及びＲ３からなる直列回路は、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧を抵抗分割により降圧する。そして、抵抗分割により降圧された端子間電圧は、昇圧制御回路１０へ入力される。これにより、昇圧制御回路１０は、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧をモニタリングする。

そして、昇圧制御回路１０は、平滑コンデンサＣ３の端子間電圧が一定の電圧値となるように、スイッチング素子Ｑ１をスイッチングさせて、平滑コンデンサＣ３を充放電させる。これにより、力率改善部３から定電圧電力供給部４に対して、一定の電圧値の直流電力が供給される。ここに、直流電力の電圧値は、スイッチング素子Ｑ１がオン状態となる頻度が多いほど高くなる。

以上に示されるように、スイッチング素子Ｑ１がオン状態となる頻度が多いほど、力率が好適に改善され、かつ、定電圧電力供給部４に対して供給される直流電力の電圧値が高くなる。

そして、力率改善部３において、制御回路１１は、昇圧制御回路１０を制御する。力率改善部３は、例えば、後述される手法によって負荷５のインピーダンスの逆数を得て、得た逆数に適した昇圧率を設定する。これは、力率改善のために、負荷５に対して電流を連続的に供給するために入力電圧を昇圧する必要があるためである。そして、力率の改善度が向上すれば、交流電源を通じて外部へ高調波電流が漏れることが抑制される。尚、負荷５のインピーダンスの逆数に適した昇圧率として、例えば、電源装置１の高調波電流規格を満たすことができるように力率を改善することができる昇圧率が挙げられる。

本実施形態では、制御回路１１において、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が“０”以上“ａ”未満の範囲内の値に対応する昇圧率が“０”として設定されている。また、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が“ａ”以上“ｂ”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は、各値の大きさに比例して大きくなるように設定されている。さらに、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が“ｂ”を超え“１００”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は最大の昇圧率が設定されている。

ここに、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が“ａ”以上“ｂ”以下の範囲内の値に対応する昇圧率は、各値の大きさに比例して大きくなるように設定することは、例えば、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が大きくなるほど、大きな昇圧率が設定されたテーブルを設けることで実現できる。

制御回路１１は、設定された昇圧率を表す信号を昇圧制御回路１０へ出力する。これにより、昇圧制御回路１０は、供給される直流電力が、負荷５のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で昇圧されるように、スイッチング素子Ｑ１のスイッチングを制御する。

定電力生成部４は、いわゆるスイッチング電源である。定電力生成部４は、トランスＴ１を備える。トランスＴ１は、第１の一次巻線Ｎ１、第１の一次巻線Ｎ１とは非導通な第２の一次巻線Ｎ２、及び二次巻線Ｎ３を備える。第１の一次巻線Ｎ１には、力率改善部３から供給される直流電力が供給される。

定電圧電力供給部４において、スイッチング素子Ｑ２は、第１の一次巻線Ｎ１の導通及び非導通を切り換えることによって、第１の一次巻線Ｎ１に対してパルス状の直流電力を供給する。スイッチング素子Ｑ２は、ＰＷＭ制御回路１２によりＰＷＭ制御される。

ＰＷＭ制御回路１２は、ダイオードブリッジＤ１で生成された脈流を受け付けて、その脈流を駆動電流（ＰＷＭ制御回路駆動電流）として受け付けて動作する。ＰＷＭ制御回路１２は、二次巻線Ｎ３側の直流電力の電圧値の帰還を受け付けて、その電圧値が目標の電圧値となるようなデューティ比のパルスをスイッチング素子Ｑ２に出力する。

すると、スイッチング素子Ｑ２は、パルスのＯＮｄｕｔｙ期間にオン状態となって、第１の一次巻線Ｎ１を導通させる。また、スイッチング素子Ｑ２は、パルスのＯＦＦｄｕｙｙ期間にオフ状態となって、第１の一次巻線Ｎ１を非導通とする。

定電圧電力供給部４において、第２の一次巻線Ｎ２には、二次巻線Ｎ３に存在するパルス状の直流電力が電磁誘導により伝えられる。第２の一次巻線Ｎ２に伝えられたパルス状の直流電力は、第２の一次巻線Ｎ２側に設けられたダイオードＤ３及びコンデンサＣ４によって整流及び平滑が行われて直流電力とされ、抵抗Ｒ４を介して制御回路１１へ供給される。

制御回路１１は、供給された直流電力の電圧値を監視している。この電圧値は、二次巻線Ｎ３における直流電力の電圧値が高くなるほど高くなり、二次巻線Ｎ３における直流電力の電圧値が低くなるほど低くなる。ここに、二次巻線Ｎ３における直流電力の電圧値は、負荷５のインピーダンスの逆数が大きくなるほど（負荷５が重たくなるほど）、負荷５における電圧降下が大きくなるので大きくなる。また、二次巻線Ｎ３における直流電力の電圧値は、負荷５のインピーダンスの逆数が小さくなるほど（負荷５が軽くなるほど）、負荷５における電圧降下が小さくなるので小さくなる。

そして、制御回路１１は、抵抗Ｒ４を介して供給された直流電力の電圧値が高いほど負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）が大きいと判断する。一方、制御回路１１は、抵抗Ｒ４を介して供給された直流電力の電圧値が低いほど負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）が小さいと判断する。

制御回路１１は、例えば、電圧値が大きくなるほど、大きな、負荷のインピーダンスの逆数（負荷率）が設定されたテーブルを備えている。制御回路１１は、抵抗Ｒ４を介して供給された直流電力の電圧値を検出して、その電圧値に対応して記憶されている、負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）をテーブルから得る。以上に示される手法により、抵抗Ｒ４を介して供給された直流電力の電圧値から、負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）を求めることが容易に実現できる。

二次巻線Ｎ３には、第１の一次巻線Ｎ１に供給される直流電圧が、電磁誘導により、パルス状に伝えられる。二次巻線Ｎ３に伝えられたパルス状の直流電圧は、ダイオードＤ４及び平滑コンデンサＣ５によって整流及び平滑されて直流電力とされ、負荷５へ供給される。

また、二次巻線Ｎ３側には、抵抗Ｒ５及びＲ６からなる直列回路が平滑コンデンサＣ５と並列に接続されている。抵抗Ｒ５及びＲ６からなる直列回路は、平滑コンデンサＣ５の端子間電圧を抵抗分割により降圧する。そして、抵抗分割により降圧された端子間電圧は、ＰＷＭ制御回路１２へ入力される。これにより、ＰＷＭ制御回路１２は、平滑コンデンサＣ５の端子間電圧をモニタリングする。

そして、ＰＷＭ制御回路１２は、平滑コンデンサＣ５の端子間電圧が一定の電圧値となるように、スイッチング素子Ｑ２をスイッチングさせる。これにより、定電圧電力供給部４から負荷５に対して、定電圧電力が供給される。

このような構成の電源回路１において、力率改善部３は、例えば、以下に示される昇圧処理を行うことができる。図３は、負荷率と昇圧電圧との相関の一例を示した図である。ここに、供給される交流電力の電圧値は１２７Ｖであるとされる。

力率改善部３において、制御回路１１は、負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）が“０”以上“ａ”未満の範囲内の値であるときには、昇圧率を“０”とする。この場合、力率改善部３は昇圧処理を行わないので、電源装置１の消費電力が低減される。また、負負荷５のインピーダンスの逆数が小さいので、負荷５を流れる電流の電流量が少ない。従って、力率改善部３によって昇圧を伴った力率改善処理が施されなくても、高調波電流が交流電源を通じて外部に漏れにくい。

また、制御回路１１は、負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）が“ａ”以上“ｂ”以下の範囲内の値であるときには、負荷５のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、大きな昇圧率を設定する。これにより、負荷５のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、供給される電力の電圧値が、大きな昇圧率で昇圧されながら、その電力の電圧波形及び電流波形が揃えられる。これにより、負荷５のインピーダンスの逆数に適した改善度で力率が改善されるので、高調波電流が発生することを適切に抑制することができる。

さらに、制御回路１１は、負荷５のインピーダンスの逆数（負荷率）が“ｂ”を超え“１００”以下の範囲内にあるときには、最大の昇圧率を設定する。本実施形態では、供給された交流電力の電圧値が１２７Ｖから３７０Ｖにまで昇圧されている。

これにより、負荷５において多くの電流量の電流が流れていることにより高調波電流が外部に漏れやすい状態においても、供給される電力の電圧値が、最大の昇圧率で昇圧されながら、その電力の電圧波形及び電流波形が揃えられる。このように、負荷５のインピーダンスの逆数が“ｂ”を超えるように大きな場合には、最も高い改善度で力率が改善されて、適切に、高調波電流の発生を抑制することができる。

１ 電源装置
３ 力率改善部
４ 定電圧電力供給部
５ 負荷
１０ 昇圧制御回路

Claims (4)

1. 供給される電力の電圧値を所定の昇圧率で昇圧しながら、前記電力の電圧波形と電流波形とを揃える力率改善処理を行う昇圧型の力率改善部と、
   前記力率改善部が所定の昇圧率で電圧値を昇圧した電力を受け付けて、定電圧電力を生成し、負荷に供給する定電圧電力供給部と、
   前記力率改善部に対して、前記所定の昇圧率として、前記負荷のインピーダンスの逆数に応じた昇圧率で、前記電力の電圧値を昇圧させる昇圧制御部と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記昇圧制御部は、
   前記負荷のインピーダンスの逆数が大きくなるほど、前記昇圧率を比例的に大きくすることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記昇圧制御部は、
   前記負荷のインピーダンスの逆数が、予め設定された設定値を超えるときには、最大昇圧率として予め設定された昇圧率で、前記力率改善部に対して前記電力の電圧値を昇圧させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電源装置。
4. 前記負荷において生じる電圧降下の大きさを検出することによって、前記負荷のインピーダンスの逆数を求める逆数演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電源装置。

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