JP3565416B2 - 力率改善回路 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源に用いられる力率改善回路に関し、入力ラインのノイズ対策を図った力率改善回路の改善に関する。
【0002】
【従来の技術】
図9にアクティブフィルタ方式の従来回路例を示す。図9において、EMIフィルタ1には例えば100〜240Vの交流電圧が入力する。ダイオードブリッジ2(D1)はその交流電圧を整流する。
【0003】
整流された電気信号はブーストインダクタ3(L1)、スイッチング素子4(SW1)のスイッチング時間に応じて昇圧され、フライホイールダイオード5(D2)及び平滑コンデンサ6(C1)により平滑されて、設定電圧(例えば400V)に昇圧されて後段に接続された負荷DC/DCコンバータ7に入力する。
【0004】
このDC/DCコンバータ7の前段にはコモンとの間に昇圧電圧検出抵抗R2,R3が接続されており、R2,R3の接続点が制御回路部8を構成するフィードバックアンプの入力端子に接続されている。そして、R2,R3の接続点にはDC/DCコンバータ7の負荷変動に応じて例えば0.1〜0.15V程度の差電圧が生じるように設計されている。
【0005】
フィードバックアンプ8aは図10に示すようなエラーアンプ8a’で構成されており、非反転入力端子には例えば2.5V程度の参照電圧Vrefが接続されている。エラーアンプ8a’の反転端子に接続された電圧は前述のように例えば0.1〜0.15Vの範囲で変化するがエラーアンプ8a’はその変化に応じて例えば0〜5Vの範囲の電圧を出力する。
【0006】
図9に戻り、コントローラ8bは、入力電流が正弦波状になるような力率改善制御を可能にするため、入力電圧信号若しくはこれに相当する信号とエラーアンプ8a’から出力される電圧信号とを演算処理し、入力電圧波形と同相で昇圧レベルを設定できる波形に変換する。
【0007】
コントローラ8bは内部にコンパレータ(図示省略)を有しており、ブーストインダクタ3に流れる電流波形若しくはスイッチング素子4(SW1)に流れる電流波形と、前述の演算処理後の信号を比較して、入力電圧に応じてスイッチング素子4(SW1)のオンオフのタイミングを決定する。
【0008】
ブーストインダクタ3若しくはスイッチング素子4(SW1)の電流波形が演算処理後の信号レベルに達するとコントローラ8bから出力されるスイッチング素子4(SW1)のドライブ信号が反転し、スイッチング素子4(SW1)をオフさせる。
【0009】
スイッチング素子4(SW1)のオンタイミングは次の2つの方法で行う。ブーストインダクタ3の電流が不連続の場合には、スイッチング素子4(SW1)がオフするとブーストインダクタ3に流れる電流が減少して零になるので、その点を検出してスイッチング素子4(SW1)をオンさせる。ブーストインダクタ3の電流が連続の場合には、コントローラ8bにスイッチング素子4(SW1)がオンオフする一周期を設定した発振器(図示省略)を設置し、発振器がタイムアップしたときにスイッチング素子4(SW1)をオンさせる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
このような力率改善回路の入力電圧は100〜240V程度と広範囲にわたるが、例えば昇圧設定電圧を400V(R2,R3とフィードバック回路で設定)程度としている場合、100Vに近い低入力の場合はブーストインダクタ3(L1)にエネルギーを蓄積するためにスイッチング素子4(SW1)のオン時間を長くしなければならない。その結果、ブーストインダクタ3(L1)に流れる電流が大きくなり損失が増え、効率低下を招き、部品を大きくしなければならず、ノイズも大きくなるという問題があった。
【0011】
ところで,上述の回路ではDC/DCコンバータ7に入力する電圧を例えば400Vに昇圧しているがDC/DCコンバータによっては必ずしもこの入力電圧を一定にする必要はなく、入力電圧が多少変動しても出力には影響を及ぼさないものがある。
本発明は入力電圧が多少変動しても出力には影響を及ぼさないDC/DCコンバータを用いた力率改善回路を前提として、ブーストインダクタ3(L1)に流れる電流を小さくして他の部分を含めて不具合が生じることのない力率改善回路を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の構成は,請求項1においては,電源からの交流電圧を入力して直流信号に変換する整流手段と、この直流信号を所定の設定電圧に昇圧する昇圧手段と、昇圧された信号に基づいて、直流入力/直流出力を行う負荷としてのDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータの負荷変動を検出する負荷変動検出手段と、この負荷変動検出手段の出力に基づいて前記交流電圧と直流電流の位相を一致させる制御手段を有する力率改善回路において、前記直流信号の電圧変動を検出する入力電圧検出部と前記設定電圧を変更する設定電圧値変更部を設け、前記交流電圧が所定の電圧より高い場合は昇圧設定値を高くし、前記交流電圧が所定の電圧より低い場合は昇圧設定値を低く設定することにより前記昇圧手段の負荷を低減したことを特徴とする。
【0013】
請求項2においては,請求項1記載の力率改善回路において、設定電圧の変更は段階的に行うようにしたことを特徴とする。
【0014】
請求項3においては,請求項1記載の力率改善回路において、設定電圧の変更はアナログ的に行うようにしたことを特徴とする。
請求項4においては,請求項1記載の力率改善回路において、設定電圧の変更は交流電源の電圧に応じて段階的に行う部分とアナログ的に行う部分を混在させたことを特徴とする。
【0015】
【実施例】
図1は本発明の力率改善回路の構成を示すもので、図9に示す従来例とは入力電圧補正回路10を設けた点が異なっている。この入力電圧補正回路10の一端はダイオードブリッジ2(D1)とブーストインダクタ3(L1)の接続点(A)に接続され、他端は昇圧電圧検出抵抗R2,R3とコモン電位の間に接続される。
【0016】
図2は入力電圧補正回路10の詳細を示すもので、A点からの入力電圧は抵抗R5,R6を介してコモン電位に接続され、コモン電位に接続された抵抗R6の両端にはコンデンサC2の両端が接続されている。スイッチSW2として機能するトランジスタ11のゲートはR5とR6の接続点に接続され、コレクタとエミッタ間には抵抗R4が接続されて、コレクタが抵抗R3にエミッタがコモン電位に接続されている。
【0017】
この入力電圧補正回路10は入力電圧が高くなるに従いR2,R3の接続点の電圧を低くして昇圧設定値が大きくできるように、入力電圧の検出部(2点鎖線で囲ったE部)と昇圧設定変更部(2点鎖線で囲ったF部)で構成されている。入力電圧の検出部Eは入力電圧を直接検出するか、ブーストインダクタ3(L1)の零電流もしくは零電圧を検出するための、あるいは補助電源用などに用いられるためのL1に巻かれた補助巻線(図示省略)を用いて入力電圧を間接的に検出する。
【0018】
昇圧設定値変更部は入力電圧に応じて、設定値を可変もしくは段階的に切り替える。この回路はトランジスタ11(SW2)を用いたオペアンプやコンパレータにより構成される。
例えば、100Vac以上で昇圧設定値が220Vに、200Vac以上で昇圧設定値が400Vになるようにトランジスタ11を用いてR3若しくは R3+R4となるように切り替える。
【0019】
A点からの入力電圧は抵抗:R5、R6で分圧されるが、入力電圧に応じた切り替えポイントが設定される。分圧された電圧は脈流波形で、一周期毎に昇圧設定値が切り替わるため、昇圧電圧が安定して得られない。コンデンサC2は安定な昇圧電圧を得るために直流電圧を平滑する。
【0020】
この電圧をトランジスタ11(SW2)のベース−エミッタ間に加え、SW2をON/OFFさせる。入力電圧の低い100V系ではSW1がOFF状態となり、昇圧設定抵抗はR3+R4となる。入力電圧が200Vac以上ではトランジスタがONとなり、R4がショートされるため、昇圧設定抵抗はR3に切り替わる。
【0021】
切り替えられた抵抗とR2で昇圧電圧を検出し、Feedback部8aのエラーアンプを介して昇圧電圧がほぼ一定になるように負帰還制御をする。更に安定動作を必要とする場合には、図3(a)の2点鎖線で囲ったG部に示すように図2の検出部にヒステリシス回路を設けるなどの措置を施す。
【0022】
図3(b)はヒステリシス回路Gを設けた場合の入力電圧に対する昇圧値の変化を示すもので、イは高入力電圧から低入力電圧に移行した場合、ロは低入力電圧から高入力電圧に移行した場合を示している。
【0023】
図4は他の実施例を示す入力電圧補正回路である。ここではA点からの入力電圧を抵抗R 7を介してエラーアンプの非反転入力端子に接続するとともに、この非反転入力端子に並列に接続された抵抗R8とコンデンサC2の一端を接続し、他端をコモン電位に接続している。
【0024】
即ち、入力電圧に応じてFeedback部8aのエラーアンプの基準電圧端子を入力電圧に応じてリニアに可変して昇圧設定値を変えるようにしている。そして、図2に示す実施例と同様入力電圧を抵抗:R7、R8で分圧し、コンデンサ:C2で平滑した電圧をFeedback部8aのエラーアンプの基準電圧端子に印加する。
【0025】
このように構成することにより、入力電圧の増加とともに基準電圧も増加するので、入力電圧が低い場合には昇圧電圧を低く、入力電圧が高い場合には昇圧電圧を高く設定することができる。
【0026】
図5(a)は設定電圧を一定として従来例の平滑コンデンサ(C1)の両端にかかる電圧Vc1とA点の電圧(入力電圧)の関係を示し、図5(b)は設定電圧を可変とした本発明のVc1とA点の電圧(入力電圧)の関係を示している。図6(a)は設定電圧をアナログ的に行うようにした例、図6(b)は交流電源の電圧に応じて段階的に行う部分とアナログ的に行う部分を混在させた例を示す図である。
【0027】
図7,8は図2の入力電圧補正回路10を用いた実験結果を示すもので、入力電圧100Vac(図7)、240Vac(図8)とも入力電流波形は正弦波状になって力率改善がなされており、本発明を実施した場合でも支障がないことを示している。
【0028】
さらに、本発明の構成によれば損失改善効果もある。即ち、入力電圧が低い場合はブーストインダクタ3に印加する電圧は従来方法にくらべて低くなり、インダクタのコア損失が低減する。また、従来方法に比べてインダクタに流れる電流実効値も低減し、銅損も小さくできる。
【0029】
このように損失を低減できたことにより、インダクタンスを約1/2にし、インダクタのサイズは小さくできる。インダクタを小型化したにもかかわらず、従来回路と同等以上の効率95.5%minが入力電圧100Vac時に得られた。
【0030】
本発明の以上の説明は、説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明はその本質から逸脱せずに多くの変更、変形をなし得ることは当業者に明らかである。特許請求の範囲の欄の記載により定義される本発明の範囲は、その範囲内の変更、変形を包含するものとする。
【0031】
【発明の効果】
以下にDC/DCコンバータ7に負荷電力60Wとした場合において確認した効果を示す。
▲1▼ 入力電圧に応じて、昇圧設定値を可変しても力率改善に支障がない。
▲2▼ 低入力電圧時の昇圧電圧を下げることにより、ブーストインダクタに貯えるエネルギーが小さくなり、ブーストインダクタのコア損および銅損を低減できる。
▲3▼ 損失が低減することによりブーストインダクタのインダクタンスおよびサイズを小さくできる。ブーストインダクタは底面積−40%、体積−57%に小型化できた。実施例における効率は従来例と同等以上であり、電力計等を用いて算出した結果では入力電圧100Vac時に95.5%minであった。
【0032】
▲4▼ ブーストインダクタに貯えられるエネルギーが小さくてすむので、電流ピーク値が小さくなる。その結果、入力に帰還する伝導ノイズのノーマルモード分が小さくなり、EMIフィルタも小型化できる。これら部品の小型化によって、コストも削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の力率改善回路の実施形態の一例を示す要部構成図である。
【図2】本発明の力率改善回路に用いる入力補正回路の一例を示す回路図である。
【図3】図2の回路にヒステリシス回路を設けた実施例を示す図である。
【図4】本発明の力率改善回路に用いる入力補正回路の他の実施例を示す回路図である。
【図5】設定電圧を一定とした従来例と設定電圧を可変とした本発明のVc1とA点の電圧(入力電圧)の関係を示す図である。
【図6】設定電圧をアナログ的に行うようにした例および交流電源の電圧に応じて段階的に行う部分とアナログ的に行う部分を混在させた例を示す図である。
【図7】本発明を適用した力率改善回路の電圧に対する電流波形の一例を示す図である。
【図8】本発明を適用した力率改善回路の電圧に対する電流波形の他の一例を示す図である。
【図9】従来の力率改善回路の一例を示す図である。
【図10】フィードバック回路を構成するエラーアンプの一例を示す図である。
【符号の説明】
1 EMIフィルター
2 ダイオードブリッジ
3 ブーストインダクタ
4 スイッチング素子
5 フライホイールダイオード
6 平滑コンデンサ
7 DC/DCコンバータ
8 制御回路部
8a フィードバック回路
8b コントローラ
10 入力電圧補正回路
Claims (4)
- 電源からの交流電圧を入力して直流信号に変換する整流手段と、この直流信号を所定の設定電圧に昇圧する昇圧手段と、昇圧された信号に基づいて、直流入力/直流出力を行う負荷としてのDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータの負荷変動を検出する負荷変動検出手段と、この負荷変動検出手段の出力に基づいて前記交流電圧と直流電流の位相を一致させる制御手段を有する力率改善回路において、前記直流信号の電圧変動を検出する入力電圧検出部と前記設定電圧を変更する設定電圧値変更部を設け、前記交流電圧が所定の電圧より高い場合は昇圧設定値を高くし、前記交流電圧が所定の電圧より低い場合は昇圧設定値を低く設定することにより前記昇圧手段の負荷を低減したことを特徴とする力率改善回路。
- 設定電圧の変更は段階的に行うようにしたことを特徴とする請求項1記載の力率改善回路。
- 設定電圧の変更はアナログ的に行うようにしたことを特徴とする請求項1記載の力率改善回路。
- 設定電圧の変更は交流電源の電圧に応じて段階的に行う部分とアナログ的に行う部分を混在させたことを特徴とする請求項1記載の力率改善回路。
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