JP2790326B2 - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスイッチングレギュレータに関し、特に全波
整流回路の交流入力電流の流れる時間を広げることによ
り、交流入力の力率を改善するスイッチングレギュレー
タに関する。

〔従来の技術〕

従来、この種のスイッチングレギュレータの直流電源
に用いられる、ダイオードブリッジを用いた全波整流回
路において、一般的な回路として平滑コンデンサインプ
ット形のものがあるが、整流した直流電圧のリプル値を
小さくするために平滑用コンデンサの容量をかなり大き
くする必要がある。そのために整流電流のピーク値が大
きくなり、力率が低下するとともに充電電流により平滑
用コンデンサが内部損失で発熱し、寿命の低下を招く。
また、入力電力が大きく高調波発生等の悪影響も無視で
きないために、システムの安定性が低下し、高容量のノ
イズフィルタ回路，入力保護用のフューズやブレーカ等
が必要になる。

この種の難点を改善する整流平滑回路が、特開昭63−
107457号公報に提案されている。この整流平滑回路で
は、交流入力を全波整流するダイオードブリッジの出力
端に、平滑用コンデンサがインピーダンス素子を介して
接続されかつインピーダンス素子に並列にダイオードが
接続されているため、平滑用コンデンサの充電時は充電
電流がインピーダンス素子を通して平滑用コンデンサに
流れるのでそのピーク値を押えられ、放電時はインピー
ダンスに並列に接続されたダイオードによりインピーダ
ンス素子をバイパスするのでインピーダンス素子による
電力損失が防止される。

第３図にもう１つの従来例を示す。これは、一石フォ
ワード型２出力スイッチングレギュレータの一般的な電
気回路である。交流電源１からの交流電力はノズルフィ
ルタNFを通して、ダイオードブリッジ２で全波整流され
大容量の平滑用コンデンサC1で平滑される。平滑用コン
デンサC1に充電された直流電力は、変圧器T4の１次巻線
Npとスイッチング素子４との直列回路に供給され、高周
波（通常20〜200KHz）で駆動されるスイッチング素子４
によりオン／オフされる。これにより、変圧器T4の２次
巻線Ns1,Ns2に交流電圧が発生し、これらがダイオード
5,9によって整流されスイッチング素子４がオンの時の
みチョーク6,10と大容量のコンデンサ8,12からなるチョ
ークインプット型平滑回路に加わる。これにより、コン
デンサ8,12に、直流電圧Vout1,Vout2が現われる。

ダイオード7,11は、スイッチング素子４がオフの時
に、スイッチング素子４がオンの時チョーク6,10に蓄え
られていたエネルギーを出力し続けるための転流用ダイ
オードである。

スイッチング素子４をオン／オフ制御するパルス幅制
御回路13は、直流出力電圧Vout2を基準電圧と比較し、
その差信号を所定の周波数でパルス幅変調し、駆動信号
をドライブトランスT3を介してスイッチング素子４のベ
ース／エミッタ間に印加してスイッチング素子４を駆動
するが、この時のパルス幅を、差信号に対応して、出力
電圧Vout2が基準電圧より高ければ狭く、低ければ広く
する。この動作により直流出力電圧は常に一定となるよ
うに安定化される。

変圧器T4の１次側に配置されたリセット巻線Nrは、ス
イッチング素子４がオフの時に変圧器T4の１次巻線Npに
発生するフライバックエネルギーを、ダイオード３とリ
セット巻線Nrおよび平滑用コンデンサC1からなる直列回
路で、平滑用コンデンサC1にもどそうとするものであ
る。

動作の安定をはかるため平滑用コンデンサC1は大容量
（100V入力,150W出力時、1000μＦ程度）のものを使用
しており、ダイオードブリッジ２の直流出力は、第4b図
のように充分平滑される。しかしながら交流入力電流
は、第4a図に示す交流入力電圧波形の波高値が平滑用コ
ンデンサC1の両端電圧より低い時には流れない。従っ
て、ダイオードブリッジ２の直流出力端の電流は第4c図
に示す波形となり、交流入力電流は第4d図のような波形
となる。

100V入力,150W出力，平滑用コンデンサC1＝1000μ
Ｆ、の場合に、変換効率77％，入力電流のピーク値12A,
実効値3.6A,力率0.56、となる。従来例におけるスイッ
チングレギュレータの力率は、一般的には0.5〜0.6と言
われており、この力率を高くできればダイオードブリッ
ジ２やノイズフィルタＮの電流定格を下げることが可能
となり、電源装置の小型化等のメリットが大きい。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記特開昭63−107457号公報の整流平滑回路
によれば、インピーダンス素子として抵抗を使用した場
合、交流入力電圧の波高値が高いので充電電流を押える
には数Ω〜数10Ωの抵抗を必要とし、これによる平滑用
コンデンサC1の充電損失が極めて大きい。インピーダン
ス素子にコイルを使用した場合には、充電電流を押える
には数mH〜数Ｈのインダクタンスを必要とするのでこの
インダクタンスをもたらすコイルがきわめて大きくな
り、電源装置の大型化，高価格化を招く。また、バイパ
ス用のダイオードも高耐圧で高定格電流のものが必要と
なり、この損失，コストも無視できない。更には、交流
入力電流は交流入力電圧波形の波高値が平滑用コンデン
サの両端電圧より高い時しか流れないため、力率の改善
に今少しの難点がある。

第３図に示す従来例では、先に説明した問題がある。
すなわち、整流電流のピーク値が大きくなり、力率が低
下するとともに充電電流により平滑用コンデンサが内部
損失で発熱し、寿命の低下を招く。また、入力電力が大
きく高調波発生等の悪影響も無視できないために、シス
テムの安定性が低下し、高容量のノズルフィルタ回路，
入力保護用のフューズやブレーカ等が必要になる。

本発明は、格別に電気回路を大型化，高コスト化する
ことなく、電力損失を低減しかつ力率を改善することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のスイッチングレギュレータは、交流入力を整
流する第１整流手段（２）と、その整流出力端間に接続
された小容量の第１コンデンサ（C1）と、この容量より
も大きい容量の、第１整流手段（２）のマイナス側出力
端に一端が接続された第２コンデンサ（C2）と、第１整
流手段（２）のプラス側整流出力端に一端が接続される
第１一次巻線（Np1）および第２コンデンサ（C2）の他
端に一端が接続されたリセット巻線（Nr）を有する第１
変圧手段（T1）と、前記整流出力端と第１一次巻線（Np
1）の間に介挿されたスイッチング素子（４）と、第１
整流手段（２）のマイナス側整流出力端から前記リセッ
ト巻線（Nr）の他端に順方向となるように第１整流手段
（２）のマイナス側整流出力端とリセット巻線（Nr）の
他端の間に介挿された第２整流手段（３）と、第１変圧
手段（T1）の二次巻線（Ns1）に接続された第１整流平
滑手段（５〜８）と、前記スイッチング素子（４）をオ
ン／オフするドライブ手段（13）と、前記スイッチング
素子（４）および第２コンデンサ（C2）に直列に接続さ
れた第２一次巻線（Np2）を有する第２変圧手段（T2）
と、第２変圧手段（T2）の二次巻線（Ns2）に接続され
た第２整流平滑手段（９〜12）と、を備える。なお、カ
ッコ内の記号は、図面に示し後述する実施例の対応要素
を示す。

〔作用〕

スイッチング素子（４）がオンのとき、第１コンデン
サ（C1）は小容量であるので、即座に第１一次巻線（Np
1）に放電し、第１一次巻線（Np1）には、主に第１整流
手段（２）の出力が与えられる。スイッチング素子
（４）がオフになったとき、第１コンデンサ（C1）に充
電電流が流れるが、その容量が小さいので、このピーク
電流値は低い。

大容量の第２コンデンサ（C2）およびリセット巻線
（Nr）には第２整流手段（３）が直列に接続されている
ので、スイッチング手段（４）がオフの時発生するフラ
イバックエネルギーが、第１変圧手段（T1）のリセット
巻線（Nr）から取り出されて、大容量の第２コンデンサ
（C2）に充電され、これが第２変圧手段（T2）の第２一
次巻線（Np2）に印加される。これにより、スイッチン
グ素子（４）がオンのときには、第２コンデンサ（C2）
が第２変圧手段（T2）の第２一次巻線（Np2）に電力を
供給する。

この第２コンデンサ（C2）が、第１整流手段（２）の
直流出力端における脈流電圧の谷の部分（交流入力電圧
の零レベル近傍）でも第２変圧手段（T2）の第２一次巻
線（Np2）に電力を供給するので、該谷の部分でスイッ
チング手段（４）が確実にスイッチングオン動作を行
う。これにより、交流入力の低い領域（位相零，πの近
傍）でも第１整流手段（２）と第１一次巻線（Np1）の
通電ループが維持され、交流入力電圧の半波の広い範囲
で交流電流が流れ、交流入力の力率が改善する。

なお本発明においては、第１コンデンサ（C1）がなく
とも所期の動作が行われるが、スイッチング周波数およ
びその高調波ノズルが、入力交流電源ラインに流出する
おそれがあるので、第１コンデンサ（C1）は、それを防
止するノイズフィルタとして用いる。

本発明の他の目的および特徴は，図面を参照し説明し
た以下の実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例〕

第１図に、本発明の一実施例を示す。この第１図にお
いて、第３図に示した従来例と同一又は対応部分には同
一符号をつけた。これらの説明については省略する。

第１図において、第１コンデンサC1は、スイッチング
素子５のスイッチング周波数およびその高調波ノイズが
入力交流電源ラインに流出するのを防止するノイズフィ
ルタとして機能するに十分な、小容量のものである。平
滑用コンデンサC1は、150〜200Wクラスの出力容量のス
イッチングレギュレータでは、数μＦ（10μＦ以下）の
コンデンサで十分である。またこの平滑用コンデンサC1
は、高周波域で使用するために高周波特性のよいフィル
ムタイプもしくは積層タイプが好ましい。

第２コンデンサC2は、フライバックエネルギー充電用
コンデンサであり、ダイオード３と、変圧器T1のリセッ
ト巻線Nrとで直列回路を構成している。フライバックエ
ネルギー充電用コンデンサC2は、10〜100μＦで十分機
能を満たすので、第１および第２コンデンサC1,C2を合
わせたものは、従来例の平滑用コンデンサC1と大きさ，
コストを比較した場合十分優位となる。

第１変圧器T1の１次巻線Np1とリセット巻線Nrの巻線
比はほぼ１対１である。

このような構成とすることで脈流電圧（第2b図）の谷
間の部分でもスイッチング素子４が確実に動作しエネル
ギーを取り出し続けることができるので、これにより入
力電流（交流電流）の流れる時間が広がり力率が改善す
る。

第１図に示す実施例において、第2a図の交流入力電圧
波形に対するダイオードブリッジ２の直流出力部の電圧
波形は、従来例と比べて商用周波数に対する平滑能力は
劣り第2b図のように、ほぼ脈流となる。この脈流は第１
変圧器T1の第１一次巻線Np1に印加され、第１二次巻線N
s1に発生した交流起電圧は、整流平滑回路５〜８で整流
平滑され、大容量出力Votu1として出力される。この大
容量出力Vout1は、入力周波数リプル分を多少含んだも
のである。150Wクラスの出力容量でこの大容量出力Vout
1の電圧が24V（5A程度）の場合１〜3V位の入力周波数リ
プル分を含んでいる。複写機等の電源の場合、通常24V
は、モータ，ソレノイド等の駆動用してい用いるのが一
般的で、これ位のリプル分を含んでも何ら問題はない。

コンデンサC2に充電されたエネルギーは、小容量出力
Votu2の第２の変圧起T2の第２一次巻線Np2に印加され
る。コンデンサC2の端子電圧波形は第2e図に示すように
十分平滑化されており、小容量出力Votu2は、高安定度
でリプルもなく、複写機等の制御に必要な5V電源として
最適である。

入力部の第１コンデンサC1の容量が小さいので、ダイ
オードブリッジ２の出力端における電流波形は第2c図に
示すように従来に比べて低くなり、交流入力部の電流波
形は第2d図に示すように極端なピークのない滑らかな波
形となる。

100V入力,150W出力，第１コンデンサC1＝0.22μF,フ
ライバックエネルギー充電用コンデンサC2＝100μＦで
スイッチングレギュレータを構成した場合、変換効率＝
75％，入力電流のピーク値4.0A,実効値2.3Aと、従来と
比較して小さい値が得られる。この時の力率は0.87と大
きく改善する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のスイッチングレギュレー
タによれば、第１整流手段（２）の出力脈流の広範囲に
渡り安定したスイッチング動作が得られ、力率が向上す
る。従って、第１整流手段（２），入力回路フューズ，
入力回路ブレーカー，入力ノイズフィルター回路等が低
容量化，小型化および低コスト化する。また、突入電流
防止回路が不要となるので比較的小型で安価な電源装置
を用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す電気回路図である。 第2a図は、第１図に示すダイオードブリッジ２に印加さ
れる交流電圧を示すタイムチャートである。 第2b図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の直流出
力電圧を示すタイムチャートである。 第2c図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の直流出
力電流を示すタイムチャートである。 第2d図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の入力電
流を示すタイムチャートである。 第2e図は、第１図に示すコンデンサC2の電圧を示すタイ
ムチャートである。 第３図は、従来のスイッチングレギュレータを示す電気
回路図である。 第4a図は、第３図に示すダイオードブリッジ２に印加さ
れる交流電圧を示すタイムチャートである。 第4b図は、第３図に示すダイオードブリッジ２の直流出
力電圧を示すタイムチャートである。 第4c図は、第３図に示すダイオードブリッジ２の直流出
力電流を示すタイムチャートである。 第4d図は、第３図に示すダイオードブリッジ２の入力電
流を示すタイムチャートである。 1:交流電源、NF:ノイズフィルタ 2:ダイオードブリッジ（第１整流手段） 3:ダイオード（第２整流手段）、T1:第１変圧器（第１
変圧手段） T2:第２変圧器（第２変圧手段）、T3:変圧器 T4:変圧器、4:スイッチング素子（スイッチング素子） 5,9:ダイオード、6,10:チョークコイル 7,11:ダイオード、8,12:平滑用コンデンサ （５〜8:第１整流平滑手段）、（９〜12:第１整流平滑
手段） 13:パルス幅制御回路、C1:第１コンデンサ（第１コンデ
ンサ） C2:第２コンデンサ（第２コンデンサ） Np1:第１一次巻線（第１一次巻線）、Ns1:第２二次巻線
（第２二次巻線） Nr:リセット巻線（リセット巻線）

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流入力を整流する第１整流手段と、その
   整流出力端間に接続された小容量の第１コンデンサと、
   この容量よりも大きい容量の、第１整流手段のマイナス
   側出力端に一端が接続された第２コンデンサと、第１整
   流手段のプラス側整流出力端に一端が接続される第１一
   次巻線および第２コンデンサの他端に一端が接続された
   リセット巻線を有する第１変圧手段と、前記整流出力端
   と第１一次巻線の間に介挿されたスイッチング素子と、
   第１整流手段のマイナス側整流出力端から前記リセット
   巻線の他端に順方向となるように第１整流手段のマイナ
   ス側整流出力端とリセット巻線の他端の間に介挿された
   第２整流手段と、第１変圧手段の二次巻線に接続された
   第１整流平滑手段と、前記スイッチング素子をオン／オ
   フするドライブ手段と、前記スイッチング素子および第
   ２コンデンサに直列に接続された第２一次巻線を有する
   第２変圧手段と、第２変圧手段の二次巻線に接続された
   第２整流平滑手段と、を備える、スイッチングレギュレ
   ータ。