JP5182375B2 - Pfcコンバータ - Google Patents
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Description
このPFCコンバータはチョッパ回路で構成され、入力電流波形が入力電圧波形に相似形となるように、すなわち同位相の正弦波状になるように動作する。そのため高調波電流が一定レベル以下に抑えられる。
図1に示す力率改善回路において、交流入力電源Vacの交流電源電圧を整流するダイオードブリッジB1の出力両端には、昇圧リアクトルL1とMOSFETからなるスイッチング素子Q1と電流検出抵抗Rとからなる直列回路が接続されている。スイッチング素子Q1の両端には、ダイオードD1と平滑コンデンサC1とからなる直列回路が接続され、平滑コンデンサC1の両端には、負荷RLが接続されている。スイッチング素子Q1は、制御回路10のPWM制御によりオン/オフするようになっている。電流検出抵抗Rは、ダイオードブリッジB1に流れる入力電流を検出する。
VCO115は、交流電源電圧の整流後の電圧値に応じた周波数の三角波信号を生成する。
ディジタル制御の場合もインダクタに流れる電流を検出して、その電流値に応じたPWM制御によりスイッチング素子をスイッチングすることになる。
(1)電流経路に電流検出用抵抗を直列に挿入し、抵抗の両端に生じる降下電圧を検出する。
(2)電流経路にカレントトランスを挿入するか、インダクタを一次側とするカレントトランスを用いて検出する。
(3)電流経路にホールセンサを設けて、その出力電圧を検出する。
という方法がある。
第1のタイプのPFCコンバータは、交流入力電源から入力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の次段に接続された、インダクタ及びスイッチング素子を含む直列回路と、
前記スイッチング素子に並列接続された整流平滑回路と、
前記整流回路の後段に設けられた入力電圧検出回路と、
前記インダクタに流れる電流を(実質的に)検出するインダクタ電流検出回路と、
前記整流平滑回路の後段に設けられた出力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路と、前記インダクタ電流検出回路と、前記出力電圧検出回路の検出結果から、前記交流入力電源から入力される入力電流が前記交流電圧に対して相似形となるように前記スイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータで、次の(1)または(2)の構成とする。
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオン時のインダクタ電流値をサンプリングにより取得し、前記規定値により定まる前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値と前記ターンオン時のインダクタ電流値とから演算によりインダクタ電流の平均値を求める。
例えば、規定値により決定される電流ピーク値をIp、前記スイッチング素子のターンオン直後に、前記インダクタ電流検出回路による電流検出信号をサンプリングして得た電流値をIb、前記インダクタに流れる電流の平均値をILavとした場合に、
ILav=(Ip+Ib)/2
の演算により得た値を前記インダクタ電流の平均電流値、すなわち入力電流の平均値として検知する。
これにより、実質的にPFCコンバータへの入力電流の平均値を検出できる。
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオンからターンオフまでの時間(Ton)をカウントするタイマを備え、前記タイマのカウント値から前記スイッチング素子のオン時間(Ton)を検出し、またはオフ時間(Toff)を算出し、前記入力電圧、前記出力電圧、前記インダクタのインダクタンス、及び前記オン時間(Ton)またはオフ時間(Toff)を基に、インダクタ電流の平均値を求める。
例えば、前記規定値により決定される電流ピーク値をIpとし、前記交流入力電源から入力される入力電圧をVi、出力電圧をVo、前記インダクタのインダクタンス値をL、前記スイッチング素子のオン時間をTon、オフ時間をToffとし、前記インダクタに流れる電流の平均値をILavとした場合に、
ILav=Ip−Vi/L×Ton/2
または
ILav=Ip−{(Vo−Vi)/L}×Toff/2
の演算により得た値を前記インダクタ電流の平均電流値、すなわち入力電流の平均値として検知する。
これにより、実質的にPFCコンバータへの入力電流の平均値を検出できる。
これにより、スイッチング素子に流れる電流でインダクタ電流を検出するため、部品削減や損失低減につながる。
前記第1のスイッチング素子と前記第1の整流素子との接続点と、交流入力電源の第1の入力端との間に接続されたインダクタと、
負荷に対して並列に接続され、第2のスイッチング素子と第2の整流素子を含み、第2のスイッチング素子と第2の整流素子との接続点が前記交流入力電源の第2の入力端に接続された第2の直列回路と、
負荷に対して並列に接続された平滑回路と、
前記インダクタに流れる電流を(実質的に)検出するインダクタ電流検出回路と、
前記交流入力電源から入力される入力電流の平均値が前記交流入力電源の交流電圧に対して相似形となるように前記第1及び第2のスイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータである。この第2のタイプのPFCコンバータで、次の(3)または(4)の構成とする。
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオン時のインダクタ電流値と前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値とからインダクタ電流の平均電流値を求める。
これにより、実質的にPFCコンバータへの入力電流の平均値を検出できる。
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオンからターンオフまでの時間(Ton)をカウントするタイマを備え、前記タイマのカウント値から前記スイッチング素子のオン時間(Ton)を検出し、またはオフ時間(Toff)を算出し、前記入力電圧、前記出力電圧、前記インダクタのインダクタンス、及び前記オン時間(Ton)または前記オフ時間(Toff)を基に、インダクタ電流の平均値を求める。
これにより、実質的にPFCコンバータへの入力電流の平均値を検出できる。
(a)1スイッチングにつき1回だけ、サンプリング値を基にインダクタ電流の平均値を計算すればよいため、高性能なADコンバータは必要なく、CPUなどの演算処理部の負荷も少ない。そのため比較的処理能力の低いDSP等を用いることができ、全体に低コスト化できる。
第1の実施形態に係るPFCコンバータについて図2〜図4を参照して説明する。
図2は第1の実施形態に係るPFCコンバータ101の回路図である。図2において符号P11,P12はPFCコンバータ101の入力ポート、符号P21,P22はPFCコンバータ101の出力ポートである。入力ポートP11−P12には商用交流電源である交流入力電源Vacが入力され、出力ポートP21−P22には負荷回路20が接続される。
スイッチング制御回路13は、入力電圧検出回路11、電流検出用抵抗R1、及び出力電圧検出回路12の検出信号をディジタル値に変換するA/Dコンバータ131と、アナログコンパレータ134へ参照電圧を与えるD/Aコンバータ133と、スイッチング素子Q1に対して制御電圧を出力するPWM回路135と、A/Dコンバータ131の変換値を読み取り、D/Aコンバータ133へ規定値を参照電圧として与え、PWM回路135を制御して出力制御電圧を切り替えるCPU132と、を備えている。
スイッチング制御回路13は、PFCコンバータ101に対する入力電流、すなわちインダクタL1に流れる電流の平均値、が全波整流波形に相似形となるようにスイッチング制御を行う。このようにして入力電圧と相似形の入力電流が流れることにより、高調波が抑制され、力率が改善される。
ここで、図2に示したPFCコンバータ101の動作、特にスイッチング制御回路13の動作について、図4(C)を参照して説明する。
まず、PWM回路135は一定周期で出力ポートをハイレベルにする。PWM回路135の出力ポートがハイレベルになることにより、スイッチング素子Q1がターンオンし、インダクタ電流がスイッチング素子Q1に流れる。このタイミングでA/Dコンバータ131は前記電流検出用抵抗R1の降下電圧のディジタル値を読み取る。このディジタル値が、ターンオン時のドレイン電流(ターンオン時のインダクタ電流)Ibに相当する。
ILav=(Ib+Ip)/2 …(1)
すなわち前記電流値IbとIpの平均値をインダクタ電流の平均値ILavとして求める。そして、CPU132は、インダクタ電流の平均値ILavが交流入力電源の電圧に対して相似形となるように前記規定値を操作することによってスイッチング素子Q1をPWM制御する。
図5は第2の実施形態に係るPFCコンバータ102の回路図である。第1の実施形態で図2に示したPFCコンバータ101と異なるのは、スイッチング制御回路13内のPWM回路135にCPU132が読み取れるタイマを備えていることである。その他の構成は図2に示したものと同様である。
図6はインダクタ電流IL及びスイッチング素子Q1のドレイン電流IDの波形図である。
ILav=Ip−{(Vo−Vi)/L}×Toff/2 …(2)
の演算によって求める。
ILav=Ip−Vi/L×Ton/2 …(3)
を用いても同様にILavを求めることができる。
図7は第3の実施形態に係るPFCコンバータ103の回路図である。また図8はPFCコンバータ103の4つのタイミングでの電流経路を示す図である。
図7に示すPFCコンバータ103はダイオードブリッジを介さずにインダクタと2つのスイッチング素子とを備えたダイオードブリッジレスPFCコンバータである。
C1…平滑コンデンサ
D1,D2…ダイオード
Iac…入力電流
ID…ドレイン電流
IL…インダクタ電流
ILav…インダクタ電流の平均値
L1…インダクタ
P11,P12…入力端
P21,P22…出力ポート
Q1,Q2…スイッチング素子
R1…電流検出用抵抗
R21,R22…電流検出用抵抗
Toff…オフ時間
Ton…オン時間
Tsw…スイッチング周期
Vac…交流入力電源
Vo…出力電圧
11…入力電圧検出回路
12…出力電圧検出回路
13…スイッチング制御回路
20…負荷回路
101,102,103…PFCコンバータ
131…A/Dコンバータ
132…CPU
133…D/Aコンバータ
134…アナログコンパレータ
135…PWM回路
Claims (5)
- 交流入力電源から入力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の次段に接続された、インダクタ及びスイッチング素子を含む直列回路と、
前記スイッチング素子に並列接続された整流平滑回路と、
前記整流回路の後段に設けられた入力電圧検出回路と、
前記インダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出回路と、
前記整流平滑回路の後段に設けられた出力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路と、前記インダクタ電流検出回路と、前記出力電圧検出回路の検出結果から、前記交流入力電源から入力される入力電流が前記交流電圧に対して相似形となるように前記スイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータであって、
前記スイッチング素子がターンオンした後にインダクタ電流が規定値に達したとき出力を反転するアナログコンパレータを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオン時のインダクタ電流値をサンプリングにより取得し、前記規定値により定まる前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値と前記ターンオン時のインダクタ電流値とから演算によりインダクタ電流の平均値を求め、前記入力電圧検出回路、前記インダクタ電流検出回路、及び前記出力電圧検出回路の検出信号をディジタル値に変換するA/Dコンバータと、前記アナログコンパレータへ参照電圧を与えるD/Aコンバータと、前記スイッチング素子に対して制御電圧を出力するPWM回路と、前記D/Aコンバータへ前記参照電圧に相当する前記規定値を与え、前記A/Dコンバータの変換値を基に前記インダクタ電流の平均値を求めるCPUと、を備えたPFCコンバータ。 - 交流入力電源から入力される交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の次段に接続された、インダクタ及びスイッチング素子を含む直列回路と、
前記スイッチング素子に並列接続された整流平滑回路と、
前記整流回路の後段に設けられ、入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
前記インダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出回路と、
前記整流平滑回路の後段に設けられ、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路と、前記インダクタ電流検出回路と、前記出力電圧検出回路の検出結果から、前記交流入力電源から入力される入力電流が前記交流電圧に対して相似形となるように前記スイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータであって、
前記スイッチング素子がターンオンした後にインダクタ電流が規定値に達したことを検出するアナログコンパレータを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオンからターンオフまでの時間をカウントするタイマを備え、前記タイマのカウント値から前記スイッチング素子のオン時間を検出し、またはオフ時間を算出し、前記規定値により定まる前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値、前記入力電圧、前記出力電圧、前記インダクタのインダクタンス、及び前記オン時間または前記オフ時間を基に、インダクタ電流の平均値を求める、PFCコンバータ。 - 負荷に対して並列に接続された、第1のスイッチング素子と第1の整流素子を含む第1の直列回路と、
前記第1のスイッチング素子と前記第1の整流素子との接続点と、交流入力電源の第1の入力端との間に接続されたインダクタと、
負荷に対して並列に接続され、第2のスイッチング素子と第2の整流素子を含み、第2のスイッチング素子と第2の整流素子との接続点が前記交流入力電源の第2の入力端に接続された第2の直列回路と、
負荷に対して並列に接続された平滑回路と、
前記インダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出回路と、
前記交流入力電源から入力される入力電流の平均値が前記交流入力電源の交流電圧に対して相似形となるように前記第1及び第2のスイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータであって、
前記第1又は第2のスイッチング素子がターンオンした後にインダクタ電流が規定値に達したとき出力を反転するアナログコンパレータを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記第1又は第2のスイッチング素子をターンオフし、前記第1又は第2のスイッチング素子のターンオン時のインダクタ電流値をサンプリングにより取得し、前記規定値により定まる前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値と前記ターンオン時のインダクタ電流値とから演算によりインダクタ電流の平均値を求め、前記入力電圧検出回路、前記インダクタ電流検出回路、及び前記出力電圧検出回路の検出信号をディジタル値に変換するA/Dコンバータと、前記アナログコンパレータへ参照電圧を与えるD/Aコンバータと、前記スイッチング素子に対して制御電圧を出力するPWM回路と、前記D/Aコンバータへ前記参照電圧に相当する前記規定値を与え、前記A/Dコンバータの変換値を基に前記インダクタ電流の平均値を求めるCPUと、を備えたPFCコンバータ。 - 負荷に対して並列に接続された、第1のスイッチング素子と第1の整流素子を含む第1の直列回路と、
前記第1のスイッチング素子と前記第1の整流素子との接続点と、交流入力電源の第1の入力端との間に接続されたインダクタと、
負荷に対して並列に接続され、第2のスイッチング素子と第2の整流素子を含み、第2のスイッチング素子と第2の整流素子との接続点が前記交流入力電源の第2の入力端に接続された第2の直列回路と、
負荷に対して並列に接続された平滑回路と、
入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
前記平滑回路の後段に設けられ、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記インダクタに流れる電流を検出するインダクタ電流検出回路と、
前記交流入力電源から入力される入力電流の平均値が前記交流入力電源の交流電圧に対して相似形となるように前記第1及び第2のスイッチング素子をオン/オフ制御するスイッチング制御回路と、を備えたPFCコンバータであって、
前記第1又は第2のスイッチング素子がターンオンした後にインダクタ電流が規定値に達したことを検出するアナログコンパレータを備え、
前記スイッチング制御回路は、前記アナログコンパレータの出力が反転したとき前記スイッチング素子をターンオフし、前記スイッチング素子のターンオンからターンオフまでの時間をカウントするタイマを備え、前記タイマのカウント値から前記スイッチング素子のオン時間を検出し、またはオフ時間を算出し、前記規定値により定まる前記スイッチング素子のターンオフ時のインダクタ電流値、前記入力電圧、前記出力電圧、前記インダクタのインダクタンス、及び前記オン時間または前記オフ時間を基に、インダクタ電流の平均値を求める、PFCコンバータ。 - 前記スイッチング制御回路は、前記入力電圧検出回路、前記インダクタ電流検出回路、及び前記出力電圧検出回路の検出信号をディジタル値に変換するA/Dコンバータと、前記アナログコンパレータへ参照電圧を与えるD/Aコンバータと、前記スイッチング素子に対して制御電圧を出力するPWM回路と、前記D/Aコンバータへ前記参照電圧に相当する前記規定値を与え、前記A/Dコンバータの変換値を基に前記インダクタ電流の平均値を求めるCPUと、を備えた、請求項2または4に記載のPFCコンバータ。
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