JP4288702B2

JP4288702B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4288702B2
Application number: JP2004105154A
Authority: JP
Inventors: 俊幸太田
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005295649A

Description

この発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、電源投入時の突入電流を抑制する回路を備えたスイッチング電源装置に関する。

各種電子機器用の直流電源として、商用電源からの交流入力電圧を整流・平滑して得た直流電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータにより所望の直流電圧に変換して供給するようなスイッチング電源装置が多用されている。電圧の調整に関しては、一般に前記直流電圧が一次巻線に断続的に印加されるトランスが使われることが多い。

また、商用電源をダイオードブリッジなどの整流回路で整流し、その整流回路の出力側に力率改善用の昇圧コンバータを備えたスイッチング電源装置も知られている。

図２に従来技術によるスイッチング電源装置の一例を示す。同図に示すように、商用電源２からの交流入力電圧ＶACをブリッジ型の整流器４で全波整流し、この整流出力を昇圧コンバータ５に印加する。昇圧コンバータ５は、チョークコイル11，スイッチング素子12および整流ダイオード13からなり、原理的には、昇圧コンバータ５からの出力電圧を平滑コンデンサ７で平滑することにより、当該平滑コンデンサ７の両端間に接続した出力端子21，22から後段のＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）に昇圧した直流電圧Ｖｏを出力するようになっている。実際には、スイッチング素子12はトランジスタやＦＥＴなどが使用され、制御装置８は直流電圧Ｖｏの変動に応じて、スイッチング素子12に供給するパルス駆動信号の導通幅を可変制御する。

上記構成の電源装置では、電源投入時にスイッチング素子12がオフ状態なので、ブリッジ型の整流器４で全波整流された電圧が、チョークコイル11と整流ダイオード13を通って平滑コンデンサ７に印加されて、大きな突入電流が流れる。この突入電流により、整流ダイオード13や平滑コンデンサ７などの劣化を招くことがある。

このような問題を解決するために、図３に示すように、昇圧コンバータ５と平滑コンデンサ７との間にパワーサーミスタ６を挿入して突入電流を抑制する回路が提案されている（例えば特許文献１を参照）。ここで、パワーサーミスタ６の動作を以下に述べる。最初に電源を投入する時点では、パワーサーミスタ６の温度は低く、その抵抗値を高い値を示している。したがって、平滑コンデンサ７にはパワーサーミスタ６の抵抗が直列に入るために、突入電流を抑制することができる。やがて、昇圧コンバータ５の電圧供給ラインに入力電流が流れて平滑コンデンサ７の充電が進み、スイッチング素子12を駆動するための制御装置８が作動して、当該スイッチング素子12が正常に動作を始めると、後段のＤＣ／ＤＣコンバータに電力が供給されてパワーサーミスタ６の温度が上昇する。パワーサーミスタ６は温度が上昇すると、その抵抗値が低下し、ある抵抗値になったときに、その消費電力と温度とがバランスして安定する。

しかし、このような回路には次のような欠点がある。例えば、商用電源が停電した後ですぐ復帰するといういわゆる瞬間停電の場合、平滑コンデンサ７は瞬時に放電してしまうが、パワーサーミスタ６の温度は瞬時には低下しないので、抵抗値が低いままの状態で電源が再投入され、大きな突入電流が流れるという不具合がある。

このような不具合を回避するための他の従来例を図４に示す。図４に示す例では、商用電源２とブリッジ型の整流器４との間に、抵抗16とスイッチング素子17とからなる並列回路を、突入電流抑制回路10として挿入している。ここで、スイッチング素子17としては、サイリスタ，ＦＥＴ，トランジスタ，トライアック，リレー接点などの各素子を使うことができる。また、ここでは電源投入監視回路９が設けられ、平滑コンデンサ７の出力側に発生する出力電圧Ｖｏ、若しくはチョークコイル11と誘導結合した二次巻線（図示しない）からの電圧を監視して、電源投入後一定時間が経過したらスイッチング素子17をオンにする駆動信号を、当該スイッチング素子17に供給する。なお、コンデンサ18は平滑用のコンデンサではなく、ノイズを除去するための小容量のコンデンサである。

このような突入電流抑制回路10の動作を以下に説明する。商用電源２から電源を投入すると、スイッチング素子17はオフ状態になっているので、突入電流は抵抗16を通って昇圧コンバータ５に流れ込み、当該昇圧コンバータ５への電流は突入電流抑制回路10の抵抗16で制限される。平滑コンデンサ７の充電が進んで、出力電圧Ｖｏが上昇してくると、電源投入監視回路９からの駆動信号によってスイッチング素子17がオンされ、入力電流はスイッチング素子17側を流れて昇圧コンバータ５を経て出力側に供給される。

ここで、スイッチング素子17として、サイリスタ，ＦＥＴ，トランジスタ，トライアックなどの半導体素子を使った場合、導通時に電圧降下が発生するため、スイッチング素子17で、上記電圧降下の電圧と電流の積の分の電力が定常状態における損失となり、電源の効率を低下させる。この点、スイッチング素子17としてリレー接点を使用すると、こうした電圧降下がほとんどなく、定常状態における突入電流抑制回路10での損失がなくなる。
特開２００１−３０９６５２号公報

上記図４に示す構成において、リレー接点の一端には交流入力電圧ＶACが印加されており、このリレー接点がオンするまでの間、リレー接点の一端と他端との間には、最大で交流入力電圧ＶACのピーク値（ＶACの1.4倍）の２倍の電圧がかかる。また、リレー接点がオンした後も、交流入力電圧ＶACが低い場合には、その分リレー接点を流れる入力電流が増加するため、損失（消費電力）が増えるとともに、電源の故障原因となりやすい。そのため、こうした問題を避けるために、リレーも大きくなり高価になるという懸念を生じていた。

本発明の目的は、抵抗とリレー接点との並列接続で構成した突入電流抑制回路を使用して、リレー接点の劣化がほとんどなく、小型のリレーで突入電流を抑制できる安定した高信頼のスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明は、交流入力電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力側にあって、前記交流入力電圧と入力電流との波形を近づけて力率を改善する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力電圧を平滑する平滑用コンデンサとを備えたスイッチング電源装置において、前記昇圧コンバータと前記平滑用コンデンサとの間の前記昇圧コンバータの出力側グランドラインに、抵抗とリレー接点とを並列に接続した突入電流抑制回路を備えて構成される。

この場合、交流入力電圧を投入した直後は、突入電流抑制回路を構成するリレー接点がオフ状態にあるので、整流回路を介して昇圧コンバータに流れ込もうとする突入電流が抑制され、整流回路や平滑用コンデンサを劣化させることはない。また、突入電流抑制回路が昇圧コンバータと平滑用コンデンサとの間のグランドラインに挿入接続されている関係で、リレー接点の両端間に加わる電圧は０ボルトになる。その後、突入電流が収束してリレー接点がオンに切替わる定常状態では、昇圧コンバータから出力される電圧は高い反面、昇圧コンバータから出力される電流は小さくなるので、リレー接点の消費電力は少なくなり、小型で安価なリレーを使った場合でも十分な信頼性と安定性を確保することができる。

本発明によれば、抵抗とリレー接点との並列接続で構成した突入電流抑制回路を使用して、リレー接点の劣化がほとんどなく、小型のリレーで突入電流を抑制できる安定した高信頼のスイッチング電源装置を提供できる。

以下、本発明のスイッチング電源装置につき、その好ましい実施形態を添付図面である図１に基づき説明する。なお、従来例と実質的に同一の機能をもつ箇所には同一の符号を付している。

図１に示す例によれば、商用電源２からの交流入力電圧ＶACをブリッジ型の整流器４で全波整流して、この整流出力を昇圧コンバータ５に入力し、昇圧コンバータ５で昇圧された電圧が平滑コンデンサ７で平滑されて、出力端子21，22から直流電圧Ｖｏを出力するようになっている。より具体的には、昇圧コンバータ５は、整流器４の出力端に接続されるチョークコイル11およびスイッチング素子12からなる直列回路と、このチョークコイル11とスイッチング素子12との接続点にアノードを接続した整流ダイオード13とにより構成されると共に、昇圧コンバータ５の出力側にある平滑コンデンサ７は、整流ダイオード13のカソードと、スイッチング素子12の他端が接続する整流器４のマイナス側出力端との間に接続される。また制御装置８は、直流電圧Ｖｏの変動に応じて、スイッチング素子12に供給するパルス駆動信号の導通幅を可変制御するものであり、整流器４の出力端間に接続したコンデンサ18は、ノイズ除去用の小容量コンデンサである。以上の構成は、従来例で示すものと共通している。

一方、本発明における突入電流抑制回路10は、商用電源２から整流器４に至る交流入力電圧ＶACラインにではなく、昇圧コンバータ５を構成するスイッチング素子12の他端と平滑コンデンサ７との間のグランドラインに挿入接続される点が注目される。この突入電流抑制回路10は、抵抗16とリレー接点17との並列回路で構成され、リレー接点17はノーマル開であるので、電源投入時には突入電流が抵抗16を流れるようになっており、整流ダイオード13や平滑コンデンサ７を劣化させることはない。電源投入監視回路９は従来例と同様に、平滑コンデンサ７の出力側に発生する出力電圧Ｖｏ、若しくはチョークコイル11と誘導結合した二次巻線（図示しない）からの電圧を監視して、電源投入後一定時間が経過したらリレー接点17をオンにするリレー駆動信号を、当該リレー接点17に供給するものである。

次に、上記構成についてその動作を説明する。

商用電源２から電源を投入すると、交流入力電圧ＶACはブリッジ型の整流器４で全波整流され、当該整流器４からの整流出力が昇圧コンバータ５に印加される。電源投入直後において、昇圧コンバータ５はスイッチング素子12がオフ状態であるので、当該昇圧コンバータ５のチョークコイル11から整流ダイオード13を通って平滑コンデンサ７に充電される。また、電源投入直後におけるリレー接点16は、電源投入監視回路９からリレー駆動信号が与えられておらず、オフ状態となっている。このとき、突入電流抑制回路10がなければ、昇圧コンバータ５に大きな突入電流が流れ、整流ダイオード13や平滑コンデンサ７などを劣化させることになるが、本実施例では昇圧コンバータ５と平滑コンデンサ７との間のグランドラインに挿入接続した突入電流抑制回路10の抵抗16を電流が通過するため、この抵抗16により大きな突入電流が抑制され、整流ダイオード13や平滑用コンデンサ７などを劣化させることはない。また、リレー接点17の両端間に加わる電圧は、このリレー接点17がグランドライン側に接続している関係で０ボルトになっており、リレー接点17のオフ時に高い電圧がその両端間に印加される虞れはない。

やがて時間が経過して、平滑コンデンサ７の充電が進んでくると、当該平滑コンデンサ７の両端間の出力電圧Ｖｏが上昇する。これに伴ない、スイッチング素子12を駆動するための制御装置８が作動して、当該スイッチング素子12がオン，オフ動作を始めると共に、抵抗16を電流が通過し続けることによる電力損失を防ぐために、電源投入監視回路９からの駆動信号によってリレー接点17がオン状態に切替わり、昇圧コンバータ５から出力される電流が、抵抗16よりも抵抗値の小さなリレー接点17を通過するようになる。

前記制御装置８からの駆動パルスにより、昇圧コンバータ５のスイッチング素子12がオンすると、整流器４から発生する整流出力がチョークコイル11の両端間に印加され、当該チョークコイル11に電流が流れてエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子12がオフすると、今度はチョークコイル11に蓄積されたエネルギーにより誘導起電力が発生し、この誘導起電力と整流器４から発生する電圧とを重畳した昇圧電圧が、昇圧コンバータ５から平滑コンデンサ７に与えられて、平滑コンデンサ７を充電する。この動作を繰り返すことにより、商用電源２から整流器４を通過してチョークコイル11を流れる電流が三角波状になると共に、その電流ピークが交流入力電圧ＶACに比例した値となり、チョークコイル11を流れる電流ピークの包絡線が交流入力電圧ＶACの波形に追従して、力率の改善が図られる。

また、上記定常状態における一連の動作において、昇圧コンバータ５と平滑コンデンサ７との間にあるリレー接点17には電流が流れるが、当該昇圧コンバータ５から出力される電流は、商用電源２から整流器４を介して昇圧コンバータ５に流れ込む入力電流よりも小さく、交流入力電圧ＶACが低い場合であっても、リレー接点17の電力損失は少ない。したがって、従来例のものよりも小型のリレーで対応が可能になり、部品の小型化を達成できると共に、低消費電力の突入電流抑制回路10を提供することができる。

以上のように本実施例では、交流入力電圧ＶACを整流する整流回路としての整流器４と、この整流器４の出力側にあって、交流入力電圧ＶACと入力電流との波形を近づけて力率を改善する昇圧コンバータ５と、昇圧コンバータ５から出力される昇圧した電圧を平滑する平滑用コンデンサ７とを備えたスイッチング電源装置において、昇圧コンバータ５と平滑用コンデンサ７との間の前記昇圧コンバータの出力側グランドラインに、抵抗16とリレー接点17とを並列に接続した突入電流抑制回路10を備え、交流入力電圧ＶACを投入して一定時間を経過したら、このリレー接点17をオフからオンに切替えるように構成している。

この場合、交流入力電圧ＶACを投入した直後は、突入電流抑制回路10を構成するリレー接点17がオフ状態にあるので、整流器４を介して昇圧コンバータ５に流れ込もうとする突入電流が抑制され、整流器４や平滑用コンデンサ７を劣化させることはない。また、突入電流抑制回路10が昇圧コンバータ５と平滑用コンデンサ７との間のグランドラインに挿入接続されている関係で、リレー接点17の両端間に加わる電圧は０ボルトになる。その後、突入電流が収束してリレー接点17がオンに切替わる定常状態では、昇圧コンバータ５から出力される電圧は高い反面、昇圧コンバータ５から出力される電流は小さくなるので、リレー接点17の消費電力は少なくなり、小型で安価なリレーを使った場合でも十分な信頼性と安定性を確保することが可能になる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例における昇圧コンバータ５の回路構成はあくまでも一例であり、同様の機能を発揮するものに置き換えてもよい。

本発明によるスイッチング電源装置の好ましい一実施例を示す回路図である。従来例におけるスイッチング電源装置の原理を説明する回路図である。従来例における突入電流抑制回路を備えたスイッチング電源装置の回路図である。従来例における突入電流抑制回路を備えたスイッチング電源装置の別な回路図である。

符号の説明

４整流器（整流回路）
５昇圧コンバータ
７平滑コンデンサ
８制御装置
10 突入電流抑制回路
16 抵抗
17 リレー接点

Claims

交流入力電圧を整流する整流回路と、この整流回路の出力側にあって、前記交流入力電圧と入力電流との波形を近づけて力率を改善する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力電圧を平滑する平滑用コンデンサとを備えたスイッチング電源において、前記昇圧コンバータと前記平滑用コンデンサとの間の前記昇圧コンバータの出力側グランドラインに、抵抗とリレー接点とを並列に接続した突入電流抑制回路を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。