JP4375839B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、特にアクティブフィルタを備えたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、スイッチング電源装置には、商用交流電圧を整流後、アクティブフィルタに供給して力率を改善した後、スイッチング手段によってスイッチングし、これを変圧器の一次巻線に供給し、変圧器の二次巻線に誘起された電圧を直流化手段によって直流化し、負荷に供給するものがある。また、世界各国において使用されている商用交流電源には様々な電圧値を発生するものがあり、これら様々な電圧においても使用可能に構成された（ワールドワイドな）スイッチング電源装置がある。
【０００３】
このようなワールドワイドなスイッチング電源装置の一例を図３に示す。このスイッチング電源装置では、商用交流電源２から供給された商用交流電圧をダイオードブリッジ回路４によって整流する。ダイオードブリッジ回路４の出力が、アクティブフィルタ６に供給され、交流入力波形を正弦波状にして、力率を改善する。このアクティブフィルタ６は、チョーク８、スイッチング素子１０、ダイオード１２、平滑用コンデンサ１４とを含み、アクティブフィルタ制御回路１６からの制御信号によってスイッチング素子１０をオン・オフ制御して、力率を改善している。
【０００４】
アクティブフィルタ６の出力は、変圧器１８の一次巻線１８ａとスイッチング素子２０との直列回路に供給される。スイッチング素子２０をＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路２２がオン・オフ制御することによってアクティブフィルタ６からの出力電圧がスイッチングされ、変圧器１８の二次巻線１８ｂにはスイッチング化電圧が誘起される。この誘起電圧がダイオード２４によって整流され、平滑コンデンサ２６によって平滑され、出力端子２８、３０から負荷に供給される。また、この出力端子２８、３０間に抵抗器３２、３４が接続され、抵抗器３４の両端間電圧がフィードバック回路３６を介してＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路２２に供給され、ＤＣ、ＤＣコンバータ制御回路２２は、抵抗器３４間の電圧が予め定めた電圧となるように、スイッチング素子２０の導通期間を変更する。
【０００５】
ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路２２への動作電圧として、変圧器１８に設けた補助巻線１８ｃに誘起された電圧をダイオード３６によって整流し、平滑用コンデンサ３８によって平滑したものが供給されている。
【０００６】
また、アクティブフィルタ制御回路１６への動作電圧として、アクティブフィルタ６のチョークコイル８に設けた補助巻線８ａに誘起された電圧をダイオード４０によって整流し、平滑用コンデンサ４２によって平滑したものが供給されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようなスイッチング電源装置では、ワールドワイドに使用することができるが、アクティブフィルタ制御回路１６への動作電圧をチョークコイル８の補助巻線８ａから得ているので、負荷が軽負荷の場合、補助巻線８ａに誘起される電圧が、アクティブフィルタ制御回路１６を正常に動作させるのに充分な電圧が発生しないと言う問題点があった。
【０００８】
本発明は、ワールドワイドにかつ出力負荷状況にかかわらず、正常に使用することができるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるスイッチング電源装置は、異なる商用交流電圧値を発生する複数の商用交流電源のうち任意のものの商用交流電圧を整流する整流手段を有している。整流手段としては、例えばダイオードブリッジ回路や単一のダイオードを使用することができる。この整流手段の出力電圧が供給されるアクティブフィルタと、このアクティブフィルタを制御するアクティブフィルタ制御手段とが設けられている。このアクティブフィルタは、例えば整流手段からの電圧がリアクトルを介して供給されるスイッチング手段を有している。このスイッチング手段の導通期間をアクティブフィルタ制御手段が制御している。アクティブフィルタの出力電圧がスイッチング手段によってスイッチングされて、スイッチング化電圧が生成される。スイッチング手段としては、例えば、制御信号に従って導通、非導通を繰り返す半導体スイッチング素子、またはこれらからなるブリッジ回路を使用できる。一次巻線と二次巻線とを有する変圧器が設けられている。この変圧器の一次巻線に前記スイッチング化電圧が供給されている。この変圧器の二次巻線に誘起された電圧が第１の直流化手段によって直流化されている。変圧器に、少なくとも２つの補助巻線が設けられている。これら補助巻線は、直列に接続され、アクティブフィルタの出力電圧の上昇に伴って誘起電圧が上昇するものである。そのため、例えば、少なくとも２つの補助巻線は、一次巻線と同一極性に巻回されている。少なくとも２つの補助巻線間に誘起された電圧を定電圧化手段が直流化し、且つ予め定めた電圧に定電圧化する。少なくとも２つの補助巻線のうち一方に誘起された電圧を第２の直流化手段が直流化する。第１及び第２の直流化手段としては、例えば単一のダイオードまたはこれらのブリッジ回路からなる整流手段と、平滑用コンデンサまたは及び平滑用リアクトルを含む平滑手段とを有するものを使用できる。前記定電圧化手段と第２の直流化手段とから前記アクティブフィルタ制御手段に動作電圧が供給される。前記定電圧化手段の予め定めた電圧は、前記アクティブフィルタ制御手段を動作させるのに必要な電圧に設定され、第２の直流化手段の出力電圧は、前記一方の補助巻線に誘起された電圧の上昇中に前記予め定めた電圧以上の電圧を生成する。なお、スイッチング手段の制御手段への動作電圧を、上記と同様にして供給することもできる。
【００１０】
このスイッチング電源装置では、様々な値の商用交流電圧を発生する複数の商用交流電源のうち１つに接続されると、アクティブフィルタの電圧が上昇し、これに伴って少なくとも２つの補助巻線に誘起される電圧が上昇する。このとき、直列に接続された少なくとも２つの補助巻線間に誘起された電圧は、一方の補助巻線に誘起された電圧よりも上昇率が高い。従って、定電圧化手段の方が、予め定めた電圧を第２の直流化手段よりも先にアクティブフィルタの制御手段に供給することができ、アクティブフィルタが動作する。やがて、第２の直流化手段の電圧が予め定めた電圧よりも大きくなると、第２の直流化手段からアクティブフィルタの制御手段に動作電圧が供給される。商用交流電源の電圧が、様々な値のうちの１つであっても、定電圧化手段から供給される電圧は予め定めた値であり、アクティブフィルタ制御手段を正常に動作させることができる。第２の直流化手段からの電圧も、商用交流電源の電圧が様々な値のうちの１つであっても、上記予め定めた電圧以上の電圧に最終的に上昇するので、これによってアクティブ制御手段を正常に動作させることができる。
【００１１】
また、前記定電圧化回路と前記アクティブフィルタ制御手段との間に、前記第２の直流化手段の出力電圧が前記予め定めた電圧以上となったときに非導通となるスイッチング素子を設けることもできる。この場合、第２の直流化手段から動作電圧がアクティブフィルタの制御手段に供給されるようになると、定電圧化手段は停止し、定電圧化手段によって損失が生じない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の１実施の形態のスイッチング電源装置は、図１に示すように、商用交流電源５０から供給された商用交流電圧を整流する整流手段、例えばダイオードブリッジ回路５２を有している。このダイオードブリッジ回路５２の出力は、アクティブフィルタ５４に供給されている。商用交流電源５０としては、世界各国において使用されている様々な商用交流電源のうち任意のものが使用可能であり、この体では、１００Ｖ系（例えば８５Ｖ乃至１３２Ｖ）または２００Ｖ系（例えば１８７Ｖ乃至２６４Ｖ）のいずれかが使用されている。
【００１３】
アクティブフィルタ５４は、図３に示したアクティブフィルタと同様に、リアクトル、例えばチョークを介してダイオードブリッジ回路５２の出力側間に接続されたスイッチング手段を有している。このスイッチング手段としては、例えば半導体スイッチング素子、具体的には電力用ＦＥＴが使用され、それのドレイン・ソース導電路がチョークを介してダイオードブリッジ回路５２の出力間に接続されている。この電力用ＦＥＴのドレイン側にダイオードのアノードが接続され、このダイオードのカソードが、図１に示す平滑用コンデンサ５７の一端に接続されている。このコンデンサ５７の他端が電力用ＦＥＴのソースに接続されている。なお、電力用ＦＥＴのゲートに、アクティブフィルタ制御回路５５から制御信号が供給される。これによって、電力用ＦＥＴの導通期間が制御され、交流入力電流の波形が正弦波状とされている。
【００１４】
このアクティブフィルタ５４の出力側が、変圧器５６の一次巻線５６ａとスイッチング手段の導電路、例えば電力用ＦＥＴ５８のドレイン・ソース導電路の直列回路に接続されている。電力用ＦＥＴ５８のゲートにはＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路６０から制御信号が供給されている。これによって電力用ＦＥＴ５８の導通期間が制御され、一次巻線５６ａにスイッチング化電圧が供給される。変圧器５６は二次巻線５６ｂを有し、その一端には、直流化手段の整流手段をなすダイオード６０のアノードが接続されている。このダイオード６０のカソードが直流化手段の平滑手段、例えば平滑用コンデンサ６２の一端に接続されている。このコンデンサ６２の他端が二次巻線５６ｂの他端に接続されている。このコンデンサ６２の両端が出力端子６４、６６に接続され、これらから負荷に電圧が供給される。出力端子６４、６６間に直列に電圧検出手段、例えば抵抗器６８、７０が接続され、抵抗器７０の両端に生じた電圧がフィードバック制御回路７２を介してＤＣ−ＤＣコンバータ６０に供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ６０は、抵抗器７０の両端間電圧が予め定めた電圧となるように、電力用ＦＥＴ５８の導通期間を制御する。
【００１５】
変圧器５６には、一次巻線５６ａ、二次巻線５６ｂの他に、補助巻線５６ｃ、５６ｄが設けられている。これら補助巻線５６ｃ、５６ｄは、変圧器５６のコアに一次巻線５６ａと同一の極性で巻回されており、直列に接続されている。なお、１つの補助巻線を一次巻線５６ａと同一極性でコアに巻回し、この１つの補助巻線に中間タップを設けることにより、補助巻線５６ｃ、５６ｄを形成してもよい。
【００１６】
補助巻線５６ｃ側には、定電圧手段、例えば定電圧回路７４が設けられている。この定電圧回路７４は、補助巻線５６ｃ、５６ｄの相互接続点とは反対側の補助巻線５６ｃの端部にアノードが接続されたダイオード７６を有している。このダイオード７６のカソード側には平滑用コンデンサ７８の一端が接続されている。この平滑用コンデンサ７８の他端は、補助巻線５６ｃ、５６ｄの相互接続点とは反対側の補助巻線５６ｄの端部に接続されている。平滑コンデンサ７８とダイオード７６との接続点は、トランジスタ８０のコレクタに接続されている。そのベースには定電圧素子、例えばツェナーダイオード８２のカソードが接続され、アノードは補助巻線５６ｄの上記反対側の端部に接続されている。このトランジスタ８０のコレクタとベースとの間には抵抗器８３が接続され、エミッタはスイッチング素子、例えばダイオード８４のアノードが接続されている。
【００１７】
補助巻線５６ｄにおける補助巻線５６ｃとの相互接続点には、直流化手段の整流手段であるダイオード８６のアノードが接続されている。このダイオード８６のカソードは、平滑用コンデンサ８８の一端に接続されている。平滑用コンデンサ８８の他端は、補助巻線５６ｄの反対側の端部に接続されている。平滑用コンデンサ８８の一端には、ダイオード８４のカソードが接続されている。
【００１８】
この平滑用コンデンサ８８の両端間には、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路６０とアクティブフィルタ制御回路５５の互いに並列に接続された電源端子が接続されている。
【００１９】
なお、商用交流電源５０として１００Ｖ系または２００Ｖ系のものが使用された場合、商用交流電圧の変動範囲は、８６Ｖ乃至２６４Ｖと広い。このような広い電圧変動範囲であっても、定電圧回路７４の出力電圧、即ちトランジスタ８０のエミッタと補助巻線５６ｄの他端との間の電圧Ｖ１は、ツェナーダイオード８２の定格電圧以上の電圧が補助巻線５６ｃ、５６ｄ間に誘起され続けている間、ツェナーダイオード８２の定格電圧によって定められた値である、アクティブフィルタ制御回路５５及びＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路６０を正常に動作させるために少なくとも必要な値を維持するように、補助巻線５６ｃ、５６ｄの巻き数、ツェナーダイオード８２の定格電圧が設定されている。さらに、このような広い電圧変動範囲であっても、補助巻線５６ｄに誘起された電圧の上昇に伴って、平滑コンデンサ８８の両端間電圧Ｖ２も、両制御回路５５、６０を正常に動作させるために少なくとも必要な電圧以上となり、その最大値でも両制御回路５５、６０は正常に動作するように、補助巻線５６ｄの巻き数が選択されている。
【００２０】
このスイッチング電源装置によれば、例えば１００Ｖ系の商用交流電源５０から商用交流電圧がダイオードブリッジ回路５２に供給されると、たとえ軽負荷の状態でも、図２（ａ）に示すように徐々に上昇していく。この電圧が変圧器５６の一次巻線５６ａに供給される。これに伴って補助巻線５６ｃ、５６ｄにも一次巻線５６ａに供給された電圧と同一の極性で電圧が誘起される。
【００２１】
ここで、図２（ｂ）、（ｃ）の比較から明らかなように、補助巻線５６ｃ、５６ｄの直列回路に誘起される電圧は、補助巻線５６ｄに誘起される電圧よりも上昇率が高く、比較的短時間で定電圧回路８０の出力電圧Ｖ１が両制御回路５５、６０を少なくとも正常に動作させる電圧を発生する。このとき、平滑コンデンサ８８の両端間の電圧は上記上昇率の相違によって低いので、ダイオード８４が導通する。これによって、出力電圧Ｖ１が、両制御回路５５、６０に供給され、これらが正常に動作し、アクティブフィルタ５４及び電力用ＦＥＴ５８が正常に動作する。
【００２２】
一方、補助巻線５６ｃ、５６ｄに誘起される電圧は上昇を継続するが、定電圧回路８０の出力電圧Ｖ１は、図２（ｂ）に点線で示すように一定値を維持する。やがて、補助巻線５６ｄに誘起された電圧の上昇に伴い、時刻ｔ１において平滑コンデンサ８８の両端間電圧Ｖ２が、制御回路５５、６０を正常に動作させるために必要な電圧以上になると、ダイオード８４が非導通状態となる。このとき、平滑コンデンサ８８から両制御回路５５、６０に動作電圧が供給され、両者は正常な動作を継続する。このとき、ダイオード８４が非導通状態になったので、定電圧回路７４は停止状態となり、定電圧回路７４での損失は発生しない。
【００２３】
このスイッチング電源装置の上述した動作は、商用交流電源５０を２００Ｖ系のものとした場合でも、平滑コンデンサ８８の両端間に最終的に発生する電圧の値が若干上昇する点を除けば、同一である。
【００２４】
なお、継続的に定電圧回路７４によって両制御回路５５、６０に動作電圧を供給することも考えられるが、この場合、定電圧回路７４による損失が常時発生するので好ましくない。そのため、補助巻線５６ｄの電圧が上昇した後には、補助巻線５６ｄの電圧を整流平滑して得た電圧によって両制御回路５５、６０を動作させている。この場合、定電圧回路７４のようなトランジスタは存在してなく、損失は少ない。
【００２５】
上記の実施の形態のスイッチング電源装置では、定電圧化回路７４をトランジスタ８０、ツェナーダイオード８２等を用いて構成したが、これに限ったものではなく、従来公知の種々の定電圧回路を使用することができる。また、このスイッチング電源装置では、２つの補助巻線５６ｃ、５６ｄを設けたが、さらに多くの補助巻線を直列に接続して使用することもできる。さらに、アクティブフィルタ制御回路５５とＤＣ−ＤＣコンバータ制御回路６０の双方に動作電圧を補助巻線５６ｃ、５６ｄに関連する部分から供給したが、アクティブフィルタ制御回路５５のみに供給してもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、使用される商用交流電源の電圧値が、様々なものであっても、出力負荷の条件に拘わらず、アクティブフィルタ制御手段を正常に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施の形態のスイッチング電源装置のブロック図である。
【図２】図１のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【図３】従来のスイッチング電源装置のブロック図である。
【符号の説明】
５２ ダイオードブリッジ（整流手段）
５４ アクティブフィルタ
５５ アクティブフィルタ制御回路（アクティブフィルタ制御手段）
５６ 変圧器
５８ 電力用ＦＥＴ（スイッチング手段）
６０ ダイオード（第１の直流化手段）
６２ 平滑用コンデンサ（第１の直流化手段）
７４ 安定化回路（安定化手段）
８６ ダイオード（第２の直流化手段）
８８ 平滑用コンデンサ（第２の直流化手段）

Claims (2)

1. 異なる商用交流電圧値を発生する複数の商用交流電源のうち任意のものの商用交流電圧を整流する整流手段と、この整流手段の出力電圧が供給されるアクティブフィルタと、 このアクティブフィルタを制御するアクティブフィルタ制御手段と、前記アクティブフィルタの出力電圧をスイッチングしてスイッチング化電圧を生成するスイッチング手段と、 一次巻線と二次巻線とを有し一次巻線に前記スイッチング化電圧が供給される変圧器と、この変圧器の二次巻線に誘起された電圧を直流化する第１の直流化手段と、前記変圧器に設けられ、前記アクティブフィルタの出力電圧の上昇に伴って誘起電圧が上昇する前記一次巻線と同一極性に巻回された少なくとも２つの補助巻線と、前記少なくとも２つの補助巻線間に誘起された電圧を直流化し、かつ前記アクティブフィルタ制御手段を動作させるのに必要な予め定めた電圧に定電圧化する定電圧化手段と、前記少なくとも２つの補助巻線のうち１つに誘起された電圧を直流化する第２の直流化手段とを有し、前記アクティブフィルタの出力電圧の上昇に伴って前記少なくとも２つの補助巻線に電圧が誘起されると、前記第２の直流化手段からの動作電圧の供給に先立って前記定電圧化手段から前記アクティブフィルタ制御手段に動作電圧を供給した後、前記第２の直流化手段の電圧が前記予め定めた電圧以上になると、前記第２の直流化手段から前記アクティブフィルタ制御手段に動作電圧を供給することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１記載のスイッチング電源装置において、前記定電圧化回路と前記アクティブフィルタ制御手段との間に、前記第２の直流化回路の出力電圧が前記予め定めた電圧以上となったときに非導通となるスイッチング素子を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。

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