JP3661136B2 - 力率改善機能付きスイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に力率改善機能を有するスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流を直流に変換し、その直流をスイッチングすることによって安定な直流出力電圧を得るスイッチング電源回路において、交流を直流に変換する回路にコンデンサインプット型整流回路を用いると、正弦波の交流入力電圧に対して、波高値の高いパルス状の交流入力電流が流れ、入力電流波形の導通角が狭くなり、力率が低下する。この力率の低下を防ぐ方法としてコンデンサの前にチョークコイルを挿入するチョークインプット型整流回路が知られているが、商用電源の交流周波数が低いために、チョークコイルのインダクタンスが大きくなければならないという欠点がある。そこで、リアクトルとスイッチ素子の組み合わせによって、アクティブフィルタと呼ばれる回路が実用化されている。アクティブフィルタの中で従来用いられている回路例の原理図を図５に示す。この図の回路の動作のポイントは、コンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた低い入力電圧の区間においても、強制的に電流を流す点にある。図において、コンデンサ１０２は比較的大きな容量で、ブリッジ整流器１１８の出力電圧が正弦波の半周期の波形を繰り返しているのに対して、ほぼ一定の直流電圧で充電されているとみなすことができる。そこで、ブリッジ整流器１１８の出力電圧がコンデンサ１０２の充電々圧より低いときは、トランス１１１の１次巻線１１１Ａとスイッチ素子１１３に流れるスイッチング電流はコンデンサ１０２に充電されている電荷によってまかなわれる。スイッチ素子１１３のオン期間にはトランス１１１の１次巻線１１１Ａにコンデンサ１０２の電圧が加わり、補助巻線１１１Ｃには巻数比に応じた電圧が発生する。補助巻線１１１Ｃに発生する電圧はコンデンサ１０２側の端子がプラスになるように巻線の極性が選ばれていて、ブリッジ整流器１１８の出力電圧と補助巻線１１１Ｃの電圧を加算した値がコンデンサ１０２の電圧を上まわれば、ブリッジ整流器１１８の出力電流が流れる。すなわち、ブリッジ整流器１１８の出力電圧がコンデンサ１０２の充電々圧より低い区間でも交流入力電流が流れ、これによってコンデンサインプット型整流回路では非導通角であった区間でも電流が流れることになって、その結果、力率が改善される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した回路において、ブリッジ整流器１１８の出力電圧のより低い区間からブリッジ整流器１１８の出力電流が流れるようにするためには補助巻線１１１Ｃの巻数を多くしなければならないが、補助巻線１１１Ｃの巻数が多い程コンデンサ１０２に充電される電圧が高くなる。その結果、スイッチ素子１１３のオフ期間にスイッチ素子１１３に加わる電圧も高くなり、一般的なスイッチング電源装置に用いられている製品の耐圧では不足する。
【０００４】
そこで本発明は、スイッチ素子に加わる電圧が一般のスイッチング電源の場合に比べて高くなることを防ぎながら、ブリッジ整流器の出力電圧のより低い区間から電流が流れる回路を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、トランスの１次巻線にリアクトルを直列に接続し、１次巻線とリアクトルとからなる直列回路のスイッチ素子側の端子に生じる電圧を充電する第１のダイオードとコンデンサを付加し、トランスに補助巻線を追加しコンデンサに充電された電荷がスイッチ素子のオン期間にこの補助巻線を通りスイッチ素子を流れて放電するように構成し、そして、スイッチ素子のオフ期間に補助巻線にフライバック電流が流れないように、この方向の電流を阻止する第２ダイオードを付加したことを特徴としている。
【０００６】
【作用】
本発明において、コンデンサはある程度大きな容量が選ばれ、電源が起動してしばらくたった後は商用電源の周期で変化する入力電圧に対しても、その両端の電圧が安定している。
【０００７】
このコンデンサに充電されている電圧に対して、入力電圧が十分低い場合はスイッチ素子に流れる電流は主にコンデンサに充電されている電荷によってまかなわれるが、第１のダイオードによって直接スイッチ素子に流れるのを阻止されているので、補助巻線を通りトランスを励磁する。
【０００８】
１次巻線には、スイッチ素子が接続されている側がプラスとなる電圧が発生し、この電圧に入力電圧を加算した値がコンデンサの電圧を上まわると１次巻線に電流が流れ、１次巻線に直列に接続されているリアクトルに励磁電流が流れる。すなわち、入力電圧がコンデンサの電圧より低くても入力電流が流れる。
【０００９】
スイッチ素子がターンオフすると各巻線に巻数に比例したフライバック電圧が発生するが、１次巻線に直列に接続されているリアクトルは、励磁エネルギーを放出するために、１次巻線に生じているフライバック電圧にコンデンサの電圧を加算した値から入力電圧を引いた電圧を発生し、フライホイール電流を流す。このフライホイール電流は入力電圧がコンデンサの電圧より低くても流れる。
【００１０】
上に示したリアクトルを流れる励磁電流とフライホイール電流は共に入力電流の一部であり、これがコンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた区間でも入力電流を流すことになり力率が改善される。
【００１１】
コンデンサに充電される電圧は、入力電圧の波高値にほぼ等しくなるが、１次巻線とリアクトルによって過渡的に生じる高い電圧もコンデンサの電圧によってクランプされる。一方、補助巻線に生じるフライバック電圧によってスイッチ素子に加わる電圧は一般的なスイッチング電源の場合と変わりなく、従って、スイッチ素子の耐圧も一般的なスイッチング電源に用いるものと同じで良い。
【００１２】
【実施例】
図１は請求項１記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。図２は図１の回路図の主要部の電圧電流波形を示した波形図である。図３と図４は図２の波形図の時間軸を拡大した図である。
【００１３】
図１の回路において、ブリッジ整流器１８の出力電圧は図２（ａ）に示したように正弦波の半周期分を繰り返した波形をしている。ブリッジ整流器１８の出力電流は図２（ｂ）に示したように、パルス状となり電圧の低いところから電流が流れ始め、電圧の上昇と共にパルスの波高値が大きくなっている。また、この電流はコンデンサ１９とチョークコイル２０からなるローパスフィルタを通すと、図２（ｃ）のような高周波リップルが除去されたより正弦波に近い波形となる。
【００１４】
図２（ａ）のブリッジ整流器１８の出力電圧の低い区間におけるブリッジ整流器１８を流れる電流とスイッチ素子１３を流れる電流と２次側ダイオード１４を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図３（ａ）と図３（ｂ）と図３（ｃ）に各々示す。図３（ａ）に示したように、ブリッジ整流器１８の電流はスイッチ素子１３に電流が流れている間に上昇し、スイッチ素子１３がターンオフしたときから下降する。ブリッジ整流器１８を流れる電流は、ブリッジ整流器１８の出力電圧の上昇と共に、図３（ａ）に示したように、パルス幅が広がっていく。一方、スイッチ素子１３の電流と２次側ダイオード１４の電流のパルス幅は、図３（ｂ）と図３（ｃ）に示したようにほぼ一定している。ブリッジ整流器１８の出力電流の下降する部分の幅が次のターンオンの時刻まで届くようになると電流は図３（ａ）に示したように連続的になる。
【００１５】
図２（ａ）のブリッジ整流器１８の出力電圧が高いところにおけるブリッジ整流器１８を流れる電流とスイッチ素子１３を流れる電流と２次側ダイオード１４を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図４（ａ）と図４（ｂ）と図４（ｃ）に各々示す。図４（ａ）に示したように、ブリッジ整流器１８には連続的な電流が流れる。
【００１６】
コンデンサ２の電圧は、ブリッジ整流器１８の出力電圧の変化に対して安定しており、スイッチ素子２のパルス幅も安定している。従って、スイッチ素子１３はコンデンサインプット型整流方式のスイッチング電源回路のそれと同じように働く。そのため、スイッチ素子１３のオン・オフを制御する発振制御回路にコンデンサインプット整流型スイッチング電源に用いてきた従来の方式がそのまま使える。
【００１７】
請求項１記載の発明の実施例として図１に示した回路図と図２と図３と図４に各々示した波形図は固定周波数で制御されるフライバックコンバータを土台にしたものであるが、発振方式が他励式であっても自励式であっても本発明の応用は可能である。また、回路構成としてフォワードコンバータに応用することも可能である。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来から用いられてきたコンデンサインプット型整流方式の部品を大幅に変更せずに力率を改善する回路を構成することができた。また、スイッチ素子に加わる電圧が一般のスイッチング電源の場合に比べて高くなるという問題も解決できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図２】図１の回路図の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【図３】図２の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図４】図２の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図５】従来方式の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ コンデンサ
２ ダイオード
３ ダイオード
４ 補助巻線
５、１０５ リアクトル
１１、１１１ トランス
１３、１１３ スイッチ素子
１４、１１４ ダイオード
１５、１１５ コンデンサ
１６、１１６ 負荷
１７、１１７ 発振制御回路
１８、１１８ ブリッジ整流器
１９、１１９ コンデンサ
２０、１２０ チョークコイル
２１、１２１ 交流電源
１１Ａ、１１１Ａ １次巻線
１１Ｂ、１１１Ｂ ２次巻線
１０２ コンデンサ
１１１Ｃ 補助巻線

Claims (1)

1. １次巻線と２次巻線を有するトランスと、前記トランスの１次巻線に直列に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの２次巻線に接続された整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流出力電圧を検出し前記スイッチ素子の発振を制御する発振制御回路を備えたスイッチング電源回路において、前記トランスの１次巻線に直列にリアクトルを挿入し、前記トランスの１次巻線と前記リアクトルとからなる直列回路の前記スイッチ素子側の端子に生じる電圧を充電するコンデンサを接続し、前記コンデンサに充電された電荷が前記スイッチ素子のオン期間に前記スイッチ素子を直接通って放電することを阻止するために前記トランスの１次巻線と前記リアクトルからなる直列回路と前記コンデンサの間に第１のダイオードを直列に挿入し、前記トランスの１次巻線と前記リアクトルとからなる直列回路と前記スイッチ素子の間に第２のダイオードを直列に挿入し、前記トランスに補助巻線を巻いてその一方の端子を前記第１のダイオードと前記コンデンサの接続点に接続しその別の一方の端子を前記第２のダイオードと前記スイッチ素子の接続点に接続したことを特徴とする力率改善機能付きスイッチング電源装置。

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