JP3974940B2 - 電源 - Google Patents
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Description
本発明は、一般に、スイッチ・モード電源の分野に関し、特に、力率(power factor)の修正(correction)を行うためにプレコンバータ(preconverter)回路を使用するスイッチ・モードの電源に関する。
発明の背景
オフ−ライン・スイッチ・モード電源は、DC−DC変換段に縦続接続される整流段より成る。この整流段自体は、整流部とフィルタ部から成る。整流部は半導体の電力整流器を使用して、交流電圧を脈動(pulsating)DC電圧に変換する。次に、このDC電圧はフィルタ部のコンデンサで濾波され、リップルが比較的少ないDC電圧を得る。
フィルタ部にコンデンサを使用する結果、生じる入力電流の波形は、幹線電圧(mains voltage)のピーク値に対応する電流パルスから成る。これが起こる理由は、幹線電圧がフィルタ・コンデンサの電圧を超えるまで、整流ダイオードは電流を導くことができないからである。その結果、電源は幹線電圧のピーク値でのみ電力を取り出す(draw)ことができ、その結果、電源の入力における力率が悪くなる。
電源の入力における力率を改善する1つの方法は、整流部とフィルタ部の間にブースト型のDC−DCプレコンバータを設けることである。プレコンバータは、入力整流器を早めに導通させることにより力率の修正を行い、入力電流を正弦波で且つ交流電圧と同相になるように調整する。ブースト型DC−DCプレコンバータを備えた従来技術によるスイッチ・モード電源を第8図に示す。幹線からの電力は整流され、プレコンバータに送られる。プレコンバータでは、力率制御器(例えば、Siemens TDA4815)がプレコンバータ・スイッチQ2を制御する。プレコンバータ・スイッチQ2の“オン”期間の間、エネルギーはコイルL1に貯えられる。このエネルギーは、プレコンバータ・スイッチQ2の“オフ”期間の間にダイオードD1を通る充電電流ichargeにより蓄積コンデンサC1に移動され、最後に、入力電流i1としてスイッチ・モード電源の入力に供給される。
従来技術に付随する問題は、プレコンバータ・スイッチQ2が、スイッチ・モード電源の電力スイッチQ1に対して非同期にスイッチすることから生じる。この非同期のスイッチングの結果として、ダイオードD1を通る充電電流ichargeとスイッチ・モード電源の入力電流i1との位相関係がランダム(random)になる。
発明の概要
プレコンバータ・スイッチQ2と電力スイッチQ1のスイッチングを同期させることにより充電電流ichargeと入力電流i1の位相関係を改善すれば、蓄積コンデンサC1を通る全実効(rms:root−mean−square)電流が減じられ、これはいくつかの理由で望ましい。同期プレコンバータの使用は蓄積コンデンサC1の仕様を緩和し、したがって、標準的な低コストの構成部品を使用することが許容される。蓄積コンデンサC1の寿命を延ばすことができ、あるいは、より低コストのコンデンサを代わりに使用することができる。蓄積コンデンサC1の定格電圧を下げることもできる。幹線電流imainsの高調波成分を現在のレベルより更に減衰させることができる。スイッチ・モード電源の出力におけるリップル電圧を下げることができる。最後に、テレビジョンでフライバック−トポロジィ(flyback−topology)・スイッチ・モード電源と共に使用する場合、テレビジョンが“待機”モードで動作しているとき、同期プレコンバータのスイッチは“オフ”になる。
発明の目的
位相オフセット回路を使用して、ブリッジ・キャパシタの充電電流の位相と電力プレコンバータの出力電流の位相を合わせることにある。
発明の構成
簡単に述べると、ここで述べられている発明的構成による電源は、電源のフィルタ部を通って流れる全実効電流を減少させる。スイッチ・モード電源回路の動作はプレコンバータ回路の動作と同期し、その結果、スイッチ・モード電源回路が入力電流を引き入れる各期間の一部の間、入力電流はプレコンバータ回路からスイッチ・モード電源回路に直接に流れる。
従って、ここで述べられている発明的構成による電源は以下のものから成る:整流手段;整流手段に結合される電力プレコンバータ;電力プレコンバータに結合されるスイッチ・モード電源回路;および、電力プレコンバータの動作とスイッチ・モード電源回路の動作を同期させる手段。
ここで述べられている更に別の発明的構成による電源は以下のものから成る:整流手段;電力プレコンバータに結合されるエネルギー蓄積手段;電力プレコンバータとエネルギー蓄積手段に結合されるスイッチ・モード電源回路;および、電力プレコンバータの動作とスイッチ・モード電源回路の動作を同期させる手段。
ここで述べる更に別の発明的構成による電源は以下のものから成る:整流手段;整流手段に結合される電力プレコンバータ;電力プレコンバータに結合されるエネルギー蓄積手段;電力プレコンバータとエネルギー蓄積手段に結合されるスイッチ・モード電源;および、スイッチ・モード電源回路が入力電流を引き込む各期間の一部の間に電力プレコンバータから直接にスイッチ・モード電源回路へ電流を供給する手段。
スイッチ・モード電源回路と電力プレコンバータは、それぞれ第1と第2のスイッチ手段を含む。電力プレコンバータにおける制御回路はは、ランプ波信号(スイッチ・モード電源回路の動作に合わされる)の振幅を、上方と下方の基準電圧と比較する。ランプ波信号が上方と下方の基準電圧の間にあるときはいつも、電力プレコンバータにおける第2のスイッチ手段の導通は可能にされる。電力プレコンバータにおける第2のスイッチ手段は、スイッチ・モード電源回路における第1のスイッチ手段が導通する各期間の間に導通し、導通は各期間の開始以後に始まり、常に各期間の終了以前に停止する。第2のスイッチ手段が導通を停止した後の期間の一部において、電流は電力プレコンバータからスイッチ・モード電源回路へ直接に流れる。
請求の範囲と実施例との対応関係を図面で使われている参照符号で示すと次の通りである。
1.整流手段(10)と、
第1のスイッチ手段を有するスイッチ・モード電源回路(30)と、
第2のスイッチ手段を有し、前記整流手段(10)を前記スイッチ・モード電源回路(30)に結合させる電力プレコンバータ手段(20)と、
前記第1のスイッチ手段の動作と前記第2のスイッチ手段の動作との間で位相オフセットを与えることにより、前記電力プレコンバータ手段(20)の動作と前記スイッチ・モード電源回路(30)の動作を同期させる同期手段(21、22)と、を備える、電源(100)。
2.前記スイッチ・モード電源回路(30)が入力電流(i1)を取り出す各期間の一部の間に、前記電力プレコンバータ手段(20)が前記スイッチ・モード電源回路(30)に直接に電流を供給する、請求項1記載の電源(100)。
3.前記同期手段(21,22)が、
ランプ波信号(Vramp)を発生する手段、および
前記ランプ波信号(Vramp)のピーク振幅より低い値を有する上方の基準電圧(Vref2)を発生する手段を備える、請求項1記載の電源(100)
4.前記同期手段(21,22)が更に、
下方の基準電圧(Vref1)を発生する手段、および
前記下方の基準電圧(Vref1)と前記上方の基準電圧(Vref2)に結合される入力を有する比較回路を備える、請求項3記載の電源(100)。
5.前記下方の基準電圧(Vref1)を発生する手段が前記整流手段(10)に結合される、請求項4記載の電源(100)。
6.前記ランプ波信号(Vramp)が前記下方の基準電圧(Vref1)と前記上方の基準電圧(Vref2)の間にある期間に、前記比較回路が前記電力プレコンバータ手段のスイッチ手段(Q2)の導通を可能にする、請求項5記載の電源(100)。
7.整流手段(10)と、
スイッチ・モード電源回路(30)と、
前記整流手段(10)を前記スイッチ・モード電源回路(30)に結合させる電力プレコンバータ手段(20)と、
前記電力プレコンバータ手段と前記スイッチ・モード電源回路とに結合されるエネルギー手段と、
前記電力プレコンバータ手段(20)の動作と前記スイッチ・モード電源回路(30)の動作とを同期させて、前記エネルギー蓄積手段を流れる電力の実効値を低減させる手段と、を備える、電源(100)。
8.前記電力プレコンバータ手段(20)から前記エネルギー蓄積手段(C1)に供給される充電電流(icharge)が、前記スイッチ・モード電源回路(30)の出力に結合される負荷に応答する、請求項7記載の電源(100)。
9.前記スイッチ・モード電源回路(30)と前記電力プレコンバータ手段(20)がそれぞれ、第1のスイッチ手段(Q1)と第2のスイッチ手段(Q2)を備えており、前記同期手段(21,22)が、前記スイッチ・モード電源回路(30)の前記第1スイッチ手段(Q1)の動作と前記電力プレコンバータ手段(20)の前記第2のスイッチ手段(Q2)の動作との位相関係を制御する、請求項7記載の電源(100)。
10.前記スイッチ・モード電源回路(30)における前記第1のスイッチ手段(Q1)が導通する各期間の間に、前記電力プレコンバータ手段(20)における前記第2のスイッチ手段(Q2)が導通する、請求項9記載の電源(100)。
11.前記電力プレコンバータ手段(20)における前記第2のスイッチ手段(Q2)が前記期間よりも短い期間の間導通する、請求項10記載の電源(100)。
12.前記電力プレコンバータ手段(20)における前記第2のスイッチ手段(Q2)が前記期間の開始後に導通を開始し常に前記期間の終了前に導通を停止する、請求項11記載の電源(100)。
13.前記同期手段(21,22)が、
ランプ波信号(Vramp)を発生する手段、および
前記ランプ波信号(Vramp)のピーク振幅よりも低い値を有する上方の基準電圧(Vref2)を発生する手段を備える、請求項7記載の電源(100)。
14.前記同期手段(21,22)が更に、
下方の基準電圧(Vref1を発生する手段、および
前記下方の基準電圧(Vref1)と前記上方の基準電圧(Vref2)に結合される入力を有する比較回路を備える、請求項13に記載の電源(100)。
15.前記下方の基準電圧(Vref1)を発生する前記手段が前記整流手段(10)に結合される、請求項14記載の電源(100)。
16.前記ランプ波信号(Vramp)が前記下方の基準電圧(Vref1)と前記上方の基準電圧(Vref2)の間にある期間に、前記比較回路が前記電力プレコンバータ手段のスイッチ手段(Q2)の導通を開始させる、請求項15記載の電源(100)。
17.整流手段(10)と、
スイッチ・モード電源回路(30)と、
前記整流手段(10)を前記スイッチ・モード電源回路(30)に結合させる電力プレコンバータ手段(20)と、
前記電力プレコンバータ手段(20)と前記スイッチ・モード電源回路とに結合されるエネルギー蓄積手段(C1)と、
前記スイッチ・モード電源回路(30)が入力電流(i1)を取り出す各期間の一部の間に、前記電力プレコンバータ手段(20)から前記スイッチ・モード電源回路(30)のみに電流を供給する手段と、を備える、電源(100)。
18.前記スイッチ・モード電源回路(30)と前記電力プレコンバータ手段(20)がそれぞれ第1のスイッチ手段(Q1)と第2のスイッチ手段(Q2)を備える、請求項17記載の電源(100)。
19.前記電力プレコンバータ手段(20)における前記第2のスイッチ手段(Q2)が、前記期間の開始以後に導通を開始し常に前記期間の終了以前に導通を停止する、請求項18記載の電源(100)。
20.前記電力プレコンバータ手段(20)の前記第2のスイッチ手段(Q2)が導通を停止した後に、前記期間の前記一部が該期間の残りの一部を含む、請求項19記載の電源(100)。
本発明の上記の、およびその他の特徴と利点は添付の図面に関連して記載された以下の説明から明らかとなるであろう。図面において同様な参照番号は同様な要素を示す。
【図面の簡単な説明】
第1図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源をブロックおよび概略の形で表した図である。
第2図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源において使用される制御回路のブロック図である。
第3図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源において使用される位相オフセット回路のブロック図である。
第4図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源と関連する特定の電圧および電流の波形を示す。
第5図は、発明的構成を有する好ましい実施例の概略図である。
第6図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源の好ましい実施例により引き寄せられる幹線電流の図である。
第7図は、発明的構成を有するスイッチ・モード電源の好ましい実施例により引き寄せられる幹線電流の高調波成分の図である。
第8図は、従来技術のスイッチ・モード電源をブロックおよび概略の形で表した図である。
発明の詳細な説明
充電電流ichargeと入力電流i1との位相関係を改善する電源100を第1図、第2図および第3図に示す。電源100のための電圧および電流の波形は第4図に示されている。
電源100は、テレビジョンで使用するために、プレコンバータ20により全波整流器10に結合されるスイッチ・モード電源回路30を含む。スイッチ・モード電源回路30の制御IC31は、ドライブ信号V1(第4図(a)に示す)を供給し、電力スイッチQ1を“オン”および“オフ”にする。電力スイッチQ1の“オン”期間はスイッチ・モード電源回路30の出力に結合される負荷により定められる。位相オフセット回路22はドライブ信号V1を使用して、プレコンバータ20のプレコンバータ・スイッチQ2のスイッチングをスイッチ・モード電源回路30の電力スイッチのスイッチングと同期させる。このようにして、プレコンバータ・スイッチQ2のスイッチングを電力スイッチQ1のスイッチングと同期させるることによりプレコンバータ回路20により蓄積コンデンサC1に供給される充電電流ichargeは、スイッチ・モード電源回路30の出力に結合される負荷に応じて変えられる。
電力スイッチQ1のドライブ信号V1は、ランプ波信号Vrampの持続期間を決定する。ランプ波信号Vrampはランプ波発生器25から発生され、第4図(b)に示されている。蓄積コンデンサC1の電圧VC1はランプ波信号Vrampの傾斜を決定する。ランプ波信号Vrampは、ウインドウ比較回路23で2つの基準電圧、上方の基準電圧Vref2および下方の基準電圧Vref1(いずれも第4図(b)に示されている)と比較される。ランプ波信号Vrampが上方の基準電圧Vref2と下方の基準電圧Vref1の間にあるとき、プレコンバータ・スイッチQ2のドライブ信号V2は、第4図(c)に示すように、“高く”なり、プレコンバータ・スイッチQ2は“オン”になる。
上方基準電圧Vref2は、ダイオード(図示せず)の順方向電圧降下だけランプ波電圧Vrampよりも低く、プレコンバータ・スイッチQ2と電力スイッチQ1との間の位相オフセットを達成する。これは、プレコンバータ・スイッチQ2が“オフ”になってから電力スイッチQ1が“オフ”になることを意味する。電力スイッチQ1は“オン”になっているが、プレコンバータ・スイッチQ2がまだ“オフ”になっている間、蓄積コンデンサC1に貯えられずにプレコンバータ20のコイルL1とダイオードD1を通って変成器T1に直接に流れ込む充電電流ichargeの部分は、第4図の(e)と(f)において陰影の部分で表される。
上と下の基準電圧Vref2とVref1は、第4図(b)に示すように、ラインおよび負荷の状態に応じて変えられる。蓄積コンデンサC1に貯えられずに変成器T1に直接に流れ込む充電電流ichargeの部分を最大にするために上の基準電圧Vref2はランプ波電圧Vrampのピークに比例して変えられ、その結果、上の基準電圧Vref2は、ダイオード(図示せず)の順方向電圧降下だけランプ波電圧Vrampよりも低い。このようにして、ランプ波電圧Vrampの傾斜は蓄積コンデンサの電圧VC1で変えられ、そのため、プレコンバータ・スイッチQ2は、蓄積コンデンサの電圧VC1が増加するにつれて、より早く“オフ”になり、蓄積コンデンサの電圧VC1が減少するにつれ、より長く“オン”に留まっている。したがって、プレコンバータ・スイッチQ2の“オン”期間がラインおよび負荷の状態の変動につれて変動するので、蓄積コンデンサの電流iC1(第4図(g)に示す)の実効値は減少され、力率および蓄積コンデンサの電圧VC1は負荷の影響を受けにくくなる。
低い方の基準電圧Vref1は整流された幹線電圧Vrecに比例して変えられ、その結果、プレコンバータ・スイッチQ2が“オン”になっている期間は、整流された幹線電圧Vrecが増加するにつれて減少する。これは、低い方の基準電圧Vref1を整流された幹線電圧Vrecから取り出して、プレコンバータ・スイッチQ2が“オン”になる時期を遅らせることにより行われ、それにより、蓄積コンデンサの電圧VC1と所望の力率との間のトレードオフ(tradeoff)が許容される。
回路の欠陥のために、あるいはテレビジョンが“待機”モードで動作しているために、蓄積コンデンサの電圧VC1が所定の限度を超えて増加すると、過電圧保護回路24が、低い方の基準電圧Vref1を高い方の基準電圧Vref2よりも上に引き上げて、プレコンバータを“オフ”にする。テレビジョンで使用するための、スイッチ・モード電源回路30と組み合わせた同期プレコンバータ20のより詳細な実施例が第5図に示されている。スイッチ・モード電源回路30は、電力スイッチQ1に結合されるパルス幅変調器U2(第5図に、Siemens TDA4605−2として示される)と、1次巻線および複数の2次巻線から成る変成器T1とを含んでいる。変成器T1の1次巻線は電力スイッチQ1と直列に結合され、変成器T1の複数の2次巻線の各々は、ダイオードD3,D9,D10,D11,D12のいずれか1つまたは抵抗R3と直列に結合される。
パルス幅変調器U2は、抵抗R2を介して電力スイッチQ1のゲート端子に電力スイッチ・ドライブ信号V1を供給する。電力スイッチ・ドライブ信号V1が“高く”なると、電力スイッチQ1は“オン”になり、入力電流i1は変成器T1の1次巻線および電力スイッチQ1を通って流れ始め、基準電圧の電位に達する。入力電流i1が変成器T1の1次巻線に流れると、エネルギーがそこに貯えられる。
電力スイッチ・ドライブ信号V1が“低く”なると、電力スイッチQ1は“オフ”になり、変成器T1の1次巻線を通る入力電流i1の流れは中断される。電力スイッチQ1が“オン”になっていた間に変成器T1の1次巻線内に発生した磁界は崩れるので、1次巻線の極性は反転する。それで、1次巻線に貯えられた全てのエネルギーは変成器T1の複数の2次巻線に伝達される。ダイオードD3,D9,D10,D11,D12は各々、順方向にバイアスされ、2次巻線は、ダイオードD3,D9,D10,D11,D12,および抵抗R3を介して、それぞれの負荷にエネルギーを伝達する。
スイッチ・モード電源回路30は、位相オフセット回路22を介して、プレコンバータ20に結合される。回路22には、比較器U1a,抵抗R12,R13,R14,ダイオードD5,およびコンデンサC8,C9が含まれる。比較器U1aは、第5図に示すように、集積回路U1(例えば、National SemiconductorのLM339)内に示される複数の比較器のうちの1つである。蓄積コンデンサの電圧VC1と電力スイッチ・ドライブ電圧V1を使用して、位相オフセット回路22はランプ波信号Vrampの形状を決定し、従って、プレコンバータ・スイッチQ2と電力スイッチQ1との間の位相オフセットを決定する。
スイッチ・モード電源回路30の電力スイッチ・ドライブ信号V1が“高く”なると、比較器U1aの出力は“高く”なり、蓄積コンデンサの電圧VC1は抵抗R14を介してコンデンサC8を充電し、従って、ランプ波信号Vrampの正に傾斜した部分を発生する。ダイオードD5は、コンデンサC5に生じる電圧を制限し、従って、ランプ波信号Vrampのピーク電圧を+12ボルトに制限する。比較器U1aの出力が“低く”なると、コンデンサC8は比較器U1aの開放(open)コレクタ出力を通って放電する。
位相オフセット回路22は、更に、ダイオードD6とコンデンサC9と抵抗R15から成る、ピーク検出回路26を含む。ピーク検出回路26は、ランプ波信号Vrampを制限し、上方の基準電圧Vref2を発生する。ダイオードD6の順方向電圧降下により、上方の基準電圧Vref2のレベルは、ランプ波信号のピークより0.7ボルト低く設定される。
ウインドウ比較回路23は比較器U1bとU1c,抵抗R17,R18,R24,R25,R26,およびゲート放電トランジスタQ3を含む。抵抗R17とR18で形成される分圧器は、整流された幹線電圧Vrecを分割して、下方の基準電圧ref1を比較器U1bの反転入力に供給する。上方の基準電圧Vref2は、ピーク検出回路26から比較器U1cの非反転入力に結合される。ランプ波信号Vrampは、位相オフセット回路22により、比較器U1bの非反転入力と比較器U1cの反転入力の両方に供給される。
ランプ波信号Vrampが下方の基準電圧Vref1と上方の基準電圧Vref2の間にあれば、ウインドウ比較器の出力電圧V4は抵抗R25により“高く”引き上げられる。コンデンサC11は、ウインドウ比較器の出力電圧V4内の小さなスパイクを制御する。ウインドウ比較器の出力電圧V4が“高い”とき、ゲート放電トランジスタQ3は“オフ”になり、+12ボルトが抵抗R26を介してプレコンバータ・スイッチQ2のゲート端子に結合され、それによって、プレコンバータ・スイッチQ2を“オン”にする。ランプ波信号Vrampが下方の基準電圧Vref1よりも低いかまたは上方の基準電圧Vref2よりも高ければ、ウインドウ比較器の出力電圧V4は“低く”なり、ゲート放電トランジスタQ3を“オフ”にし、それにより、プレコンバータ・スイッチQ2のゲート端子を放電させ、次にスイッチQ2は“オフ”になる。ゲート放電トランジスタQ3を使用してプレコンバータ・スイッチQ2を開くことにより、プレコンバータ・スイッチQ2のために素早いターン・オフ時間が得られる。
過電圧保護回路24は比較器U1dおよび抵抗R19,R20,R21,R22,R23を含む。抵抗R20とR21で形成される分圧器は、比較器U1dの反転入力に過電圧閾値電圧を供給する。蓄積コンデンサの電圧VC1は、抵抗R22とR23で形成される分圧器で分割され、その結果生じる電圧は比較器U1dの非反転入力に供給される。蓄積コンデンサの電圧VC1が、比較器U1dの反転入力に存在する過電圧閾値電圧により定められる過電圧限度を超えると、比較器U1dの出力は“高く”なり、抵抗R19はダイオードD8を介して下方の基準電圧Vref1を引き上げる。次にウインドウ比較器の出力電圧V4は“低く”なり、それによって、ゲート放電トランジスタQ3は“オン”になり、プレコンバータ・スイッチQ2のゲート端子を放電させ、それによって、プレコンバータ・スイッチQ2を開き、プレコンバータ20を“オフ”にする。
Claims (1)
- 整流手段と、
第1のスイッチ手段を有するスイッチ・モード電源回路と、
第2のスイッチ手段を有し、前記整流手段を前記スイッチ・モード電源回路に結合させる電力プレコンバータ手段と、
前記第1のスイッチ手段の動作と前記第2のスイッチ手段の動作との間で位相オフセットを与えることにより、前記電力プレコンバータ手段の動作と前記スイッチ・モード電源回路の動作を同期させる同期手段と、
前記電力プレコンバータ手段と前記スイッチ・モード電源回路とに結合されるエネルギー蓄積手段と、
を備え、
前記同期手段が、ランプ波信号を発生する手段を有し、
前記ランプ波信号が下方の基準電圧と上方の基準電圧の間にある期間に、前記第2のスイッチ手段の導通を可能にする、前記電源。
Applications Claiming Priority (7)
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