JP3587907B2 - 直流電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は入力する交流電力を整流平滑して負荷に直流電力を供給する直流電源装置に関し、特にその直流電源装置の平滑回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
入力するAC(交流)電力をDC(直流)電力に変換して負荷に供給するために、一般にダイオードブリッジによる全波整流が行われているが、そのままではリップルが多くて使いものにならないため、整流した後で平滑回路を通してリップルを減少又は除去する。そのための平滑回路として、コンデンサ入力型とチョーク入力型とがよく知られている。
【0003】
図12は、コンデンサ入力型の整流平滑回路の一例を示す回路図であり、商用50Hz又は60HzのAC電源31から入力するAC電力をダイオードブリッジ32により全波整流し、平滑コンデンサC4によって平滑したDC電力を負荷33に出力する。
図13は、負荷33が無誘導性たとえば抵抗負荷である場合の各部の電圧又は電流の一例を示す波形図である。
【0004】
図13の(A)及び(B)は、平滑コンデンサC4が接続されていない場合のダイオードブリッジ32の入力側及び出力側の電圧(電流も同様)の波形図であり、出力側すなわち負荷33に入力する電圧(電流)には同図の(B)に示したように大きなリップルが生じている。
図12に示したように平滑コンデンサC4を接続すると、その端子間電圧すなわち負荷33に入力する電圧(電流)のリップルは、図13の(C)に示したように大幅に減少する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、商用電源であるAC電源31の周波数が低いため、リップルを減らすためには平滑コンデンサC4の容量を大きく設定しなければならないが、平滑コンデンサC4を充電する電流は、図13の(B)に示した全波整流の電圧の瞬時値が、同図の(C)に示した平滑コンデンサC4の端子間電圧の瞬時値を超えた時だけしか流れないため、位相で見た場合にその導通角が狭い。そのために無効な電力が増加し、有効な電力は少なくなる。
【0006】
僅かな導通角で大容量のコンデンサを充電しなければならないから、図13の(D)に示した入力側のAC電流の波形図に見られるように、短時間に負荷33に流れる平均電流値の数倍から十数倍にもなる大きなピーク電流が流れるため、力率が劣化すると共に平滑コンデンサC4の寿命を短縮し、高周波ノイズが発生する。したがって、AC電源31の電源電圧の瞬間的な低下と高周波ノイズとによって、同一のACラインに接続されている他の機器に悪影響を及ぼすことになる。
【0007】
図示しないが、図12に示したダイオードブリッジ32と平滑コンデンサC4との間にチョークコイルを設けたチョーク入力型の整流平滑回路は、コンデンサ入力型に比べて負荷に対する出力電圧が低くなるが、チョークコイルの誘導性と出力電圧の低下とが複合的に作用して導通角が広くなり、その分だけAC電源31側のピーク電流が減少して力率がよくなる。
【0008】
しかしながら、この場合もAC電源31の周波数が低いために、負荷33の所要電流値によっても異なるが、数mH又はそれ以上(所要電流値が小さい程大きくなる)のインダクタンスを有するチョークコイルが必要になる。そのため、直流電源装置の重量化と大型化を招き、コストも大幅に上昇するという問題があった。
【0009】
この発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、直流電源装置の重量化,大型化と高価格化を抑制し、しかも力率を向上させることを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記の目的を達成するため、交流入力電力をダイオードブリッジで全波整流し平滑コンデンサにより平滑して負荷に直流電力を供給する直流電源装置において、ダイオードブリッジの出力端と負荷の入力端とを結ぶ正負のラインのうち、いずれか一方をコモンライン、他方をコモンラインに対するホットラインとして、それぞれ次のようにしたものである。
【0011】
すなわち、その一端をコモンラインに接続した、平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と平滑コンデンサから負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路と、該並列回路の他端とホットラインとの間に接続した、平滑コンデンサとチョークコイルとの直列回路と、ホットラインの電圧を検出してその検出電圧の瞬時値が検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号をスイッチング素子に出力するスイッチング制御回路とを設けたものである。
【0012】
または、ホットラインとコモンラインとの間に接続した、チョークコイルと、平滑コンデンサと、該平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と平滑コンデンサから負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路とからなる直列回路と、ホットラインの電圧を検出してその検出電圧の瞬時値が検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号を出力するスイッチング制御回路と、該スイッチング制御回路が出力する駆動信号を入力する一次コイルとスイッチング素子の駆動信号入力端子間に接続された二次コイルとからなる駆動トランスとを設けたものである。
【0013】
あるいは、ホットラインとコモンラインとの間に接続した、チョークコイルと、平滑コンデンサと、該平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と平滑コンデンサから負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路とからなる直列回路と、ホットラインの電圧を検出してその検出電圧の瞬時値が検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号を出力するスイッチング制御回路と、スイッチング素子の駆動信号入力端子間に接続されたリーク抵抗と、該リーク抵抗の一端とスイッチング制御回路の駆動信号の出力端とを結ぶ結合コンデンサとからなるCR結合回路とを設けたものである。
【0014】
上記の直流電源装置において、ホットラインとコモンラインとの間に少くとも1個の高周波ノイズをバイパスさせるための小容量のコンデンサを設けるとよい。
さらに、負荷を定電圧DC/DCコンバータとすればなおよい。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
なお、以下に述べる実施の形態は、すべて負のラインをコモンライン、正のラインをホットラインとし、スイッチング素子としてトランジスタを使用した場合について説明する。スイッチング素子としてFET(電界効果型トランジスタ)やMOS−FETを用いる場合は、トランジスタのエミッタ,ベース,コレクタをそれぞれソース,ゲート,ドレインと読み換えればよい。
【0016】
図1は、この発明による直流電源装置の第1の実施の形態の構成の一例を示す回路図であり、整流部を構成するダイオードブリッジ2と、平滑部をそれぞれ構成するチョークコイルCH、平滑コンデンサC1、NPN型のトランジスタQ1とダイオードD1との並列回路4及びスイッチング制御回路(SWCC)5とからなっている。
【0017】
ダイオードブリッジ2はAC電源1から入力するAC電力を全波整流してDC電力に変換し、平滑部を介して負荷3に供給する。
ダイオードブリッジ2の負の出力端と負荷3の負の入力端とはコモンラインにより、ダイオードブリッジ2の正の出力端と負荷3の正の入力端とはホットラインによって、それぞれ直結されている。
【0018】
ホットラインには、チョークコイルCHと平滑コンデンサC1との直列回路の一端が接続され、その直列回路の他端とコモンラインとの間にはトランジスタQ1とダイオードD1との並列回路4が接続されている。
並列回路4をそれぞれ構成するダイオードD1は平滑コンデンサC1が放電する方向に電流が流れ、NPN型のトランジスタQ1はエミッタがコモンラインに、コレクタが平滑コンデンサC1の負端子にそれぞれ接続されているから、そのベースがコモンラインより正の時に平滑コンデンサC1を充電する方向に電流が流れる。
【0019】
コモン端子がコモンラインに接続されたスイッチング制御回路5は、その検出端子にホットラインの電圧を入力し、入力する検出電圧の瞬時値と、その検出電圧をさらに平滑して得られるリップル分が除去された直流分の電圧とを比較して、検出電圧の瞬時値の方が高い期間だけ、例えばAC電源1の周波数より遙かに高い数KHz乃至数百KHzの周波数を有する正の駆動信号を、その出力端子からトランジスタQ1のベースに出力して、トランジスタQ1を高速で開閉させる。
【0020】
図2は、図1に示した直流電源装置の各部の電圧及び電流の各瞬時値の一例を示す波形図であり、図2の(A)と(B)及び(C)は、それぞれダイオードブリッジ2の入力側と平滑部が接続されていない時の出力側、及び平滑部が接続されている時のホットラインの電圧波形図である。
【0021】
図2の(D)及び(E)はダイオードブリッジ2の入力側電流及び平滑コンデンサC1の充電電流の波形図をそれぞれ示す。
図2の(B)及び(C)にそれぞれ破線で示したVdは各直流分の電圧であり、同図の(C)に示したΔVはリップル分のp−p値である。
【0022】
チョークコイルCHに流れる平滑コンデンサC1の充電電流は、図2の(E)に示したようにAC電源1の周波数又はその2倍の周波数(全波整流による)に比べて遙かに高い周波数でスイッチングされているから、そのインダクタンスが小さい値であっても充分にチョーク入力型として作用し、負荷3に対する出力電圧が若干低下する代りに、同図の(D)に示したように導通角が広くなり、そのピーク電流が大幅に減少する。
【0023】
すなわち、ホットラインの電圧の瞬時値が平滑コンデンサC1のコモンラインに対する端子間電圧より高い充電期間に、チョークコイルCHを介して平滑コンデンサC1を充電する電流が、AC電源1の周波数より遙かに高い周波数でスイッチングされるから、チョークコイルCHのインダクタンスは通常のチョーク入力型の場合に比べて遙かに小さい値で済み、小型軽量になる。
【0024】
さらに、平滑コンデンサC1の放電電流は、チョークコイルCHとダイオードD1を介して負荷3に供給されるが、チョークコイルCHのインダクタンスが小さいから、AC電源1の周波数の2倍の周波数を基本波とするリップル分に対するチョーク効果の影響は殆んどない。
したがって、チョークコイルCHと平滑コンデンサC1との接続点と負荷3の正の入力端とを直結しても同様な効果が得られる。
【0025】
なお、スイッチング制御回路5は、検出端子に入力する検出電圧(ホットラインの電圧)からリップル分を除去した直流分電圧を電源電力として作動する。
また、ホットラインとコモンラインとの間に破線で示したように接続した高周波バイパス用の小容量のコンデンサCpは、図2の(E)に示した駆動信号に応じた充電電流のスイッチングによる高周波ノイズをバイパスして、AC電源1及び負荷3に対する悪影響を防ぐことが出来る。
【0026】
例えば、図2の(D)に示したように、AC電源1の電流には、トランジスタQ1による平滑コンデンサC1の充電電流のスイッチングによる高周波ノイズが現れていない。図示しない負荷3の電流についても同様である。
【0027】
図3は、直流電源装置の第2の実施の形態の構成の一例を示す回路図であり、図1に示した第1の実施の形態と異なる所は、スイッチング制御回路5の出力端子とトランジスタQ1のベースとを直結する代りに、1次コイルと2次コイルとが直流的に絶縁された駆動トランス6を設け、該トランス6を介して駆動信号を伝えるようにしたことである。
その他の同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【0028】
すなわち、駆動トランス6の1次コイルはスイッチング制御回路5の出力端子とコモンラインとの間に、その2次コイルはスイッチング素子の駆動信号入力端子間であるトランジスタQ1のベース・エミッタ間にそれぞれ接続され、スイッチング制御回路5の出力端子がコモンラインに対して正の時に、トランジスタQ1のベースがそのエミッタに対して正になるように設定されている。(2次コイルの極性を逆に接続しても差支えはない。)
【0029】
図4及び図5は、直流電源装置の第3及び第4の実施の形態の構成の一例を示す回路図であり、図3に示した第2の実施の形態と異なる所は、ホットラインとコモンラインとの間に接続する平滑部をそれぞれ構成するチョークコイルCH,平滑コンデンサC1,(トランジスタQ1とダイオードD1の)並列回路4の配列順序を変えたことである。
【0030】
すなわち、それぞれホットラインからコモンラインに向って、第2の実施の形態(図3)は第1の実施の形態(図1)と同様に、チョークコイルCH,平滑コンデンサC1,並列回路4の順であったが、第3の実施の形態(図4)ではチョークコイルCH,並列回路4,平滑コンデンサC1の順であり、第4の実施の形態(図5)では並列回路4,チョークコイルCH,平滑コンデンサC1の順になっている。
【0031】
このように、スイッチング制御回路5の出力端子とトランジスタQ1のベースとを直結せずに、その両者を直流的に絶縁する駆動トランス6を設けたことにより、トランジスタQ1のエミッタをコモンラインに直結する必要がなくなるから、平滑部を構成する各要素の配列順序をどのように変えても、同様な作用と効果が得られ、設計の自由度が増大する。
【0032】
図6は、直流電源装置の第5の実施の形態の構成の一例を示す回路図であり、図5に示した第4の実施の形態と異なる所は、NPN型のトランジスタQ1に代えて、PNP型のトランジスタQ2を設けたことであり、その他の部分は同一である。
このようにスイッチング素子であるトランジスタの極性を逆にしても、その電流方向が平滑コンデンサC1を充電する方向であれば、同一の作用,効果が得られる。
【0033】
以上、図3乃至図6に示して説明した第2乃至第5の実施の形態は、それぞれ請求項2記載の発明によるものであり、スイッチング制御回路5が出力する駆動信号を駆動トランス6を介してスイッチング素子であるトランジスタQ1又はQ2に伝達するものである。
【0034】
図7は、直流電源装置の第6の実施の形態の構成の一例を示す回路図であり、図3に示した第2の実施の形態と異なる所は、1次コイルと2次コイルとが直流的に絶縁された駆動トランス6に代えて、同様に入力側と出力側とが直流的に絶縁された結合コンデンサであるコンデンサC2とリーク抵抗である抵抗R1とからなるCR結合回路7を設け、該結合回路7を介してスイッチング制御回路5が出力する駆動信号をトランジスタQ1に伝えるようにしたことである。
【0035】
すなわち、図7に示したように、スイッチング素子の駆動信号入力端子間であるトランジスタQ1のベース・エミッタ間に抵抗R1を接続し、該抵抗R1のベース側端子とスイッチング制御回路5の出力端子との間に直流を遮断するコンデンサC2を接続したものであり、コンデンサC2の容量値と抵抗R1の抵抗値との積である時常数を駆動信号の周波数の逆数(周期)より大きく設定してある。
【0036】
したがって、その作用及び効果は、第2の実施の形態(図3)に用いた駆動トランス6と全く同様である。
また、図8乃至図10にそれぞれ示す第7乃至第9の実施の形態も、それぞれ図4乃至図6に示した第3乃至第5の実施の形態における駆動トランス6をCR結合回路7に置き換えたものであるから、第6の実施の形態(図7)と同様に、その作用及び効果は全く同様であり、それぞれ同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【0037】
以上、図7乃至図10に示して説明した第6乃至第9の実施の形態は、それぞれ請求項3記載の発明によるものであり、スイッチング制御回路5が出力する駆動信号をCR結合回路7を介してスイッチング素子であるトランジスタQ1に伝達するものである。
【0038】
以上説明した第1乃至第9の実施の形態は、コンデンサ入力型に比べて導通角を大きくし、AC電源1からのピーク電流を抑制するチョーク入力型の特性を有しながら、平滑コンデンサC1の充電電流を高速でスイッチングすることにより、チョークコイルのインダクタンスを小さくし、小型軽量でコストも安いという特徴を有している。
【0039】
しかしながら、これらの直流電源装置から出力されるDC電力は、リップル分が減少又は除去されているが、入力するAC電源1の電圧変動や負荷3に流れる電流変動に対しての出力電圧の定電圧性は皆無である。
また、負荷3に接続されるコモンラインとホットラインは、いずれかの側が大地にグランドされているAC電源1に対して全くフローティング状態にあるから、いずれのラインに触れても感電する恐れがある。
【0040】
したがって、負荷3が商用周波数によるフリッカだけを問題とするような、例えばTVスタジオやTV中継する舞台や競技場等の照明ランプ等であれば、定電圧性は殆んど問題にならず感電の恐れも少ないから、その大電力の需要に対して比較的小容量のチョークコイルを用いてリップルを減少させ、それに伴って平滑コンデンサの容量も少なくて済む効果は極めて大きい。
このように、或る程度限定された用途には効果的であるが、このままでは一般的な多くの用途に用いることは危険でもあり、定電圧性を要求される用途には適さない。
【0041】
しかしながら、負荷として一般的に定電圧性を備えたDC/DCコンバータを接続すれば定電圧性の点で問題がなくなり、特に入力側と出力側とが絶縁されているDC/DCコンバータ、例えばスイッチングレギュレータを接続すれば感電の危険も皆無になる。
【0042】
図11は、負荷3として組み合わせる入出力側が互いに絶縁された定電圧DC/DCコンバータであるスイッチングレギュレータの構成の一例を示す回路図である。
図11に示したスイッチングレギュレータは、その作用及び効果がよく知られたものであるから、簡単に説明する。
【0043】
入力側Vinの正負の端子に入力するDC電力は、トランス10の1次コイルNpと直列に接続されたスイッチング素子であるトランジスタ(又はFET)Q3によって高速でオン・オフされる。トランス10の2次コイルNsに誘起されたAC電力は、整流ダイオードD2,転流ダイオードD3,チョークコイルCHc,平滑コンデンサC3からなる整流平滑回路11によって整流平滑されたDC電力に変換され、出力側Voutの正負の端子から出力される。
【0044】
トランジスタQ3に駆動パルスを出力する制御回路12は、出力するDC電力の電圧Voutを検出して、予め設定した出力電圧より低ければ駆動パルスのオンデューティ比を上げ、高ければオンデューティ比を下げることにより、入力電圧や出力電流が変動しても設定した出力電圧を保持するように制御する。
【0045】
負荷3としてこのようなDC/DCコンバータを接続する、即ちこの発明による直流電源装置をDC/DCコンバータと組み合せてそのDC電源として用い、DC/DCコンバータが出力する定電圧DC電力を目的とする機器又は装置に出力するようにすることにより、広い用途に安全に対応することが出来る。
【0046】
以上説明した実施の形態は、すべて負のラインをコモンライン、正のラインをホットラインとした場合であったが、逆に正のラインをコモンライン、負のラインをホットラインとした場合でも、平滑コンデンサC1及びダイオードD1の極性、ならびにトランジスタQ1又はQ2に流れる電流の方向が逆になるようにすれば、この発明を全く同様に適用出来ることはいうまでもない。
【0047】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明による直流電源装置は、小型軽量でコストも安く、しかもその力率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による直流電源装置の第1の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図2】図1に示した直流電源装置の各部の電圧又は電流の一例を示す波形図である。
【図3】この発明による直流電源装置の第2の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図4】直流電源装置の第3の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図5】直流電源装置の第4の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図6】直流電源装置の第5の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図7】直流電源装置の第6の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図8】直流電源装置の第7の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図9】直流電源装置の第8の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図10】直流電源装置の第9の実施の形態の一例を示す回路図である。
【図11】この発明による直流電源装置に接続するDC/DCコンバータの一例を示す回路図である。
【図12】従来例であるコンデンサ入力型の整流平滑回路を示す回路図である。
【図13】図12に示した整流平滑回路の各部の電圧又は電流の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
1:AC電源 2:ダイオードブリッジ
3:負荷 4:並列回路
5:スイッチング制御回路 6:駆動トランス
7:CR結合回路
C1:平滑コンデンサ
C2:コンデンサ(結合コンデンサ)
Cp:小容量のコンデンサ
CH:チョークコイル
D1:ダイオード
Q1,Q2:トランジスタ(スイッチング素子)
R1:抵抗(リーク抵抗)
Claims (5)
- 交流入力電力をダイオードブリッジで全波整流し平滑コンデンサにより平滑して負荷に直流電力を供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジの出力端と前記負荷の入力端とを結ぶ正負のラインのうち、いずれか一方をコモンライン、他方を前記コモンラインに対するホットラインとして、
その一端を前記コモンラインに接続した、前記平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と前記平滑コンデンサから前記負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路と、
該並列回路の他端と前記ホットラインとの間に接続した、前記平滑コンデンサとチョークコイルとの直列回路と、
前記ホットラインの電圧を検出して、その検出電圧の瞬時値が前記検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、前記スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号を前記スイッチング素子に出力するスイッチング制御回路とを設けたことを特徴とする直流電源装置。 - 交流入力電力をダイオードブリッジで全波整流し平滑コンデンサにより平滑して負荷に直流電力を供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジの出力端と前記負荷の入力端とを結ぶ正負のラインのうち、いずれか一方をコモンライン、他方を前記コモンラインに対するホットラインとして、
該ホットラインと前記コモンラインとの間に接続した、チョークコイルと、前記平滑コンデンサと、該平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と前記平滑コンデンサから前記負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路とからなる直列回路と、
前記ホットラインの電圧を検出して、その検出電圧の瞬時値が前記検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、前記スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号を出力するスイッチング制御回路と、
該スイッチング制御回路が出力する駆動信号を入力する一次コイルと、前記スイッチング素子の駆動信号入力端子間に接続された二次コイルとからなる駆動トランスとを設けたことを特徴とする直流電源装置。 - 交流入力電力をダイオードブリッジで全波整流し平滑コンデンサにより平滑して負荷に直流電力を供給する直流電源装置において、
前記ダイオードブリッジの出力端と前記負荷の入力端とを結ぶ正負のラインのうち、いずれか一方をコモンライン、他方を前記コモンラインに対するホットラインとして、
該ホットラインと前記コモンラインとの間に接続した、チョークコイルと、前記平滑コンデンサと、該平滑コンデンサを充電するためのスイッチング素子と前記平滑コンデンサから前記負荷に放電させるためのダイオードとの並列回路とからなる直列回路と、
前記ホットラインの電圧を検出して、その検出電圧の瞬時値が前記検出電圧からリップル分を除いた直流分の電圧より大きい期間だけ、前記スイッチング素子を高速で開閉させるための駆動信号を出力するスイッチング制御回路と、
前記スイッチング素子の駆動信号入力端子間に接続されたリーク抵抗と、該リーク抵抗の一端と前記スイッチング制御回路の駆動信号の出力端とを結ぶ結合コンデンサとからなるCR結合回路とを設けたことを特徴とする直流電源装置。 - 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の直流電源装置において、
前記ホットラインと前記コモンラインとの間に少くとも1個の高周波ノイズをバイパスさせるための小容量のコンデンサを設けたことを特徴とする直流電源装置。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の直流電源装置において、
前記負荷が定電圧DC/DCコンバータであることを特徴とする直流電源装置。
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