JP2854081B2 - 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〕 本実施例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流
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用をかなり大きく
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63-1
07457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え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イズフィ
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、のスイッチングレギュレータの場合に、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NF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。

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）；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）；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）；第１整流手段
（２）のプラス側整流出力端にともに一端が接続された
第１一次巻線（Np1）およびリセット巻線（Nr）を有す
る第１変圧手段（T1）；該第１変圧手段（T1）の第１二
次巻線（Ns1）に接続された第１整流平滑手段（５〜
８）；第１整流手段（２）のマイナス側出力端と第１一
次巻線（Np1）の他端の間に介挿された第１スイッチン
グ素子（４′）；第１スイッチング素子（４′）をオン
／オフする第１ドライブ手段（13′）；第１整流手段
（２）のマイナス側整流出力端からリセット巻線（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）；第１整流手段（２）のプ
ラス側整流出力端から第２コンデンサ（C2）の他端に順
方向となるように第１整流手段（２）のプラス側整流出
力端と第２コンデンサ（C2）の他端の間に介挿された第
３整流手段（14）；第２コンデンサ（C2）の一端にその
一端が接続された第２スイッチング素子（４″）；第２
スイッチング素子（４″）をオン／オフする第２ドライ
ブ手段（13″）；第２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）；および第２変圧
手段（T2）の第２二次巻線（Ns2）に接続された第２整
流平滑手段（9,12）； 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〕

第１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（Np1）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。第１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）および第３整流手段（1
4）が直列に接続されているので、第１スイッチング素
子（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）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、第２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、該谷の部分で第１ス
イッチング素子（４′）および第２スイッチング素子
（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。

また、第１コンデンサ（C1）は、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
することを防止するノイズフィルタとして用いられる。

本発明の他の目的および特徴は，図面を参照した以下
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変圧器T1駆動用の第１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1
3′は、直流出力電圧Vout1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Vout1が基準電圧より高ければ狭く、低ければ広く
する。この動作により常に一定となるように安定化され
た直流出力電圧は、OA機器等の電子機器用電源の場合の
モータ，ソレノイド等の駆動用電源として用いられる。

同様に、第２変圧器T2駆動用の第２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
ッタ間に印加して直流出力電圧が常に一定となるように
スイッチング素子４″を駆動する。この直流出力電圧
は、OA機器等の電子機器の制御用電源として用いられ
る。

第１コンデンサC1は、従来の商用周波数に対応して大
容量のコンデンサを、スイッチング周波数に対応した比
較的小容量の入力平滑コンデンサとし、その電力を第１
変圧器T1駆動用の入力電源としモータ，ソレノイド等の
駆動用電源Vout1として出力するようにしたものであ
る。

また、平滑用コンデンサC1は、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の機能を有する。

この平滑用コンデンサ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が、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、商用周波数に対応した中容量の
平滑用コンデンサであり、ダイオードブリッジ２の直流
出力端に、平滑用コンデンサC1と並列になるようにダイ
オード14と直列回路を構成し、そして第２変圧器T2の第
２一次巻線Np2と第２スイッチング素子４″とも直列回
路を構成し、第２の平滑用コンデンサC2の電力を第２変
圧器T2駆動用の入力電源とし制御用電源Vout2として出
力するようにしたものである。

また、第１スイッチング素子４′がオフの時、第１変
圧器T1に発生するフライバックエネルギーは、第１変圧
器T1のリセット巻線Nrから取り出され、リセット巻線Nr
→ダイオード14→平滑用コンデンサC2→ダイオード３→
リセット巻線Nrからなる回路にて、平滑用コンデンサC2
に充電される。

また、平滑用コンデンサC2は、数μＦ〜100μＦ程度
で十分機能を満たすので、第１および第２コンデンサC
1,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の第１一次巻線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
波形に関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スイッチ
ング素子４′でスイッチングされる。第１二次巻線Ns1
に発生した交流起電力は、整流平滑回路５〜８で整流平
滑され、大容量の駆動用電源出力Vout1として出力され
る。この駆動用電源出力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
駆動用電源出力Vout1の電圧が24V（5A程度）の場合１〜
2V位の入力周波数リプル分を含んでいる。OA機器等の電
子機器用電源の場合、通常24Vは、モータ，ソレノイド
等の駆動用として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。

第２コンデンサC2には、ダイオードブリッジ２の直流
出力部からダイオード14を介して充電が行われており、
第１変圧器T1への逆流を阻止している。そのうえ、第２
コンデンサC2には、前述したように、第１変圧器T1に発
生するフライバックエネルギーも充電されている。

第２コンデンサC2に充電されたエネルギーは、小容量
の制御用電源出力Vout2の第２の第２変圧器T2の第２一
次巻線Np2に印加される。第２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、制御
用電源出力Vout2は、一般的なスイッチングレギュレー
タと全く同様の動作をし、高安定度でリプルもなく、OA
機器等の電子機器の制御に必要な5V電源として最適であ
る。

このように小容量の入力平滑用コンデンサC1で大電力
を、中容量の入力平滑用コンデンサC2で小電力を、各々
２つの回路（コンバータ回路）で出力するように構成し
たので、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、交流入力部の電流波形は第2d図に示すよう
に示すようにいずれも従来例と比較して、電流の流れる
時間が広がり、ピーク電流も低減される。

100V入力,150W出力，第１コンデンサC1＝0.15μF,第
２コンデンサC2＝47μＦでスイッチングレギュレータを
構成した場合、変換効率74.2％，入力電流のピーク値6.
4A,実効値2.38Aと、従来と比較して小さい値が得られ
る。また、この時の力率は0.85と大きく改善する。

なお、本実施例においては、第１変圧器T1から構成さ
れる第１のコンバータ回路を一石フォワード方式，第２
変圧器T2から構成される第２のコンバータ回路をフライ
バック方式としたが、どの様な方式でも同様な結果が得
られる。

〔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して機器の安全性が向
上する。

【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図に示す第２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の直接出
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,T3′,T3″,T4:変
圧器 4:スイッチング素子 ４′：第１スイッチング素子（第１スイッチング素子） ４″：第２スイッチング素子（第２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２整流平滑手
段） 13:パルス幅制御回路 13′：パルス幅制御回路（第１ドライブ手段） 13″：パルス幅制御回路（第２ドライブ手段） 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）、Np2:第２一次巻線
（第２一次巻線） Ns1:第１二次巻線（第１二次巻線）、Ns2: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；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；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；第１整流手段
   のプラス側整流出力端にともに一端が接続された第１一
   次巻線およびリセット巻線を有する第１変圧手段；該第
   １変圧手段の第１二次巻線に接続された第１整流平滑手
   段；第１整流手段のマイナス側出力端と前記第１一次巻
   線の他端の間に介挿された第１スイッチング素子；該第
   １スイッチング素子をオン／オフする第１ドライブ手
   段；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；第１整流手段のプラス側整流出力端
   から前記第２コンデンサの他端に順方向となるように第
   １整流手段のプラス側整流出力端と第２コンデンサの他
   端の間に介挿された第３整流手段；前記第２コンデンサ
   の一端にその一端が接続された第２スイッチング素子；
   該第２スイッチング素子をオン／オフする第２ドライブ
   手段；前記第２スイッチング素子および前記第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；および該第２変圧手段の第２二次巻線に接続され
   た第２整流平滑手段； を備える、スイッチングレギュレータ。