JP6313236B2 - 電源装置およびacアダプタ - Google Patents
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Description
本発明は、交流電源から直流電源を得るための変換効率を向上できる電源装置およびACアダプタを提供することを目的とする。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る電源装置1の構成例を示す図である。
電源装置1は、電源回路11と制御装置(制御部)12とを備える。電源装置1は、制御装置12が電源回路11を制御することにより交流電源2からの交流電力を負荷3に供給する直流電力に変換する。また、電源装置1は、交流電源2に接続するプラグおよび負荷3に接続するプラグを設けることによりACアダプタとして実現できる。
また、Hブリッジ21は、スイッチング素子(スイッチ)S1P、S1N、S2P、S2N、ダイオードD1P、D1N、D2P、D2N、及び、ブリッジキャパシタCdc1、Cdc2を備える。
電源電流(インダクタ電流)検出部24は、交流電源2に流す交流の電源電流(インダクタ電流)Iacを検出する。電源電流検出部24は、例えば、交流電源2と第1インダクタL1との間に直列接続される。電源電流検出部24は、電源電流Iacの瞬時値を示す検出値を制御装置12へ出力する。
制御装置12は、電源回路11の各部で検出される電流及び電圧情報からHブリッジ21の4つのスイッチング素子をそれぞれオンオフする。制御装置12は、4つのスイッチング素子をオンオフすることにより、電源回路11における力率の制御とともに出力電圧の制御を行う。
図2に示すように、制御装置12は、力率制御部12Aと出力電圧制御部12Bとに大別される。
まず、力率制御部12Aの構成について説明する。
力率制御部12Aは、キャパシタ電圧設定部31、減算部32、電圧制御器(AVR)33、PLL(phase-locked loop)34、正弦波生成部35、乗算部36、減算部37、電流制御器(ACR)38、除算部39、2倍処理部40、減算部41、リミット処理部42、減算部43、及び、スイッチング信号生成部51により構成される。
減算部32は、キャパシタ電圧検出部25が検知したキャパシタ電圧Vdcからキャパシタ電圧設定部31が設定する電圧指令値Vdc_refを減算することにより偏差vdc_difを算出する。減算部32は、算出した偏差Vdc_dif(=Vdc−Vdc_ref)を電圧制御器(AVR)33へ出力する。
電圧制御器(AVR)33は、減算部32が算出した偏差Vdc_difに基づくPI演算により、交流電源電流(インダクタ電流)Iacに対する振幅指令値Iac_amp_Refを生成する。電圧制御器33は、生成した振幅指令値Iac_amp_refを乗算部36に出力する。
正弦波生成部35は、PLL34が検出した電源電圧位相ωtと同位相の正弦波sin ωtを生成する。正弦波生成部35は、生成した正弦波sin・ωtを乗算部36へ出力する。
減算部37は、乗算部36が計算した電流指令値Iac_refから、電源電流検出部24が検出した電源電流(インダクタ電流)Iacの値を減算する。減算部37は、算出した偏差Iac_dif(=Iac_ref−Iac)を電流制御器(ACR)38へ出力する。
除算部39は、電流制御器(ACR)38から取得する出力電圧指令値Vab_refをキャパシタ電圧検出部25が検出したキャパシタ電圧Vdcの値で除算する。除算部39は、算出した出力電圧指令値Vab_refとキャパシタ電圧Vdcとの比を変調率指令値D(=Vab_ref/Vdc)として2倍処理部40へ出力する。
リミット処理部42は、減算部41から与えられた値を制限する。変調率範囲は±1を超えられないためである。リミット処理部42は、リミット処理した値を変調率指令値Daとして、スイッチング信号生成部51と減算部43とへ出力する。
図2に示す構成例において、出力電圧制御部12Bは、出力電圧設定部61、減算部62、電圧制御器(AVR)63、キャリア生成部64、および、スイッチング信号生成部51により構成される。
減算部62は、出力電圧検出部26が検出した出力電圧Voutから出力電圧設定部61が設定する出力電圧指令値Vout_refを減算することにより偏差Vout_difを算出する。減算部62は、算出した偏差Vout_dif(=Vout−Vout_ref)を電圧制御器(AVR)63へ出力する。
キャリア生成部64は、電圧制御器(AVR)63から受けたキャリア周波数fcをもつ三角波キャリアのキャリア信号Scを生成する。キャリア生成部64は、生成したキャリア信号Scをスイッチング信号生成部51へ出力する。
スイッチング信号生成部51は、コンパレータ71、72、NOT回路73、74を備える。スイッチング信号生成部51には、力率制御部12Aから変調率指令値Da、Dbが入力され、出力電圧制御部12Bからキャリア信号Scが入力される。
NOT回路73は、コンパレータ71から供給されるスイッチング信号S1P_PWMを反転させることにより、第2のスイッチング信号S1N_PWMを生成する。NOT回路73は、生成した第2のスイッチング信号S1N_PWMを第2スイッチング素子S1Nのゲート端子へ出力する。
NOT回路74は、コンパレータ72から受けたスイッチング信号S2P_PWMを反転させることにより、第4のスイッチング信号S2N_PWMを生成する。NOT回路74は、生成した第2のスイッチング信号S2N_PWMを第4スイッチング素子S1Nのゲート端子へ出力する。
以上の構成により、制御装置12は、電源回路11のHブリッジ21における4つのスイッチング素子のオンオフを制御する。
電源装置1は、Hブリッジ21を含む電源回路11と制御装置12とを有する。Hブリッジ21は、4つのスイッチング素子とブリッジキャパシタCdc1、Cdc2とを有する。制御装置12は、第1及び第2のブリッジキャパシタCdc1及びCdc2に充電されている電圧(キャパシタ電圧)Vdcを元に生成した各スイッチング素子に対するスイッチング信号を出力する。このような制御装置12の制御により、電源回路11は、出力電圧としてブリッジキャパシタCdc1、Cdc2の電圧を上限とする任意の電圧を出力することができる。
まず、起動時において、第1及び第2のブリッジキャパシタCdc1、Cdc2は、全く充電されていない状態である。この状態において、電源装置1に交流電源2を接続すると、第1インダクタL1等を介してHブリッジ21のAB間に交流電源2からの電源電圧Vacが印加される。キャパシタが全く充電されていない状態であれば、印加される交流電圧Vacにより各スイッチング素子に並列に接続されるダイオードが点弧し、第1及び第2のブリッジキャパシタCdc1、Cdc2に対して各ダイオードは全波整流回路として動作する。
上述したように、Hブリッジ21の出力電圧Vab(すなわち、図1で示すA点とB点間の差電圧)により、交流電源2から第1及び第2のブリッジキャパシタCdc1及びCdc2の充電と力率の制御とを行う。AB間電圧Vabは、正弦波状の電圧である必要があるが、A点、B点のそれぞれの電圧は必ずしも正弦波状のPWMである必要はない。
図5は、Vac=100[Vrms]、Vdc=300[v]、Vab=120[Vpeak]である場合に、AB間電圧変調率Dが0.4程度となるときのA変調率DaとB変調率Dbとを示す。
図5に示す例では、AB間電圧変調率Dが0.4程度であれば、B変調率Dbがゼロである。B変調率Dbがゼロである場合、B点電圧は、50%付近のオン比率で第1及び第2のブリッジキャパシタCdc1及びCdc2の中間電位(=1/2Vdc)を出力する。これに対して、A点電圧は、変調率が最大0.8の正弦波を出力する。
第2インダクタL2と第1キャパシタC1の共振周波数よりも高周波側では、第3及び第4スイッチング素子S2P及びS2Nのスイッチング周波数を高くすることでゲインを下げる。ゲインを下げることにより出力を下げることができる。逆に、第3及び第4スイッチング素子S2P及びS2Nのスイッチング周波数を低くすることでゲインを上げて、出力を上げることができる。
次に、第2の実施形態について説明する。
図8は、第2の実施形態に係る電源装置101の構成例を示す図である。
図8に示すように、第2の実施形態に係る電源装置101は、電源回路111と制御装置112とを備える。制御装置112は、第1の実施形態で説明した図2に示す制御装置12と同様な構成で実現できる。なお、図8に示す構成において、図1に示す第1の実施形態で説明した構成と同一の構成要素により実現できるものついては同一符号を付して詳細な説明を省略するものとする。
次に、第3の実施形態について説明する。
この第3の実施形態では、前述の第1の実施形態とは異なる点のみを説明する。
電源装置201は、電源回路211と制御装置212とを備える。電源回路211は、負荷3に係る出力電圧Voutを検出する代わりに、トランスTに電圧検出用の3次巻線T3を用いて電圧Vout´を検出する。制御装置212は、電圧検出用の3次巻線T3を用いて検出する電圧Vout´に基づいて第3及び第4スイッチング素子S2P及びS2Nのスイッチング周波数を可変することにより、負荷3へ出力する負荷電圧Voutを制御する。
図10は、第3の実施形態に係る電源装置の変形例を示す図である。
電源装置301は、第2の実施形態で説明した電源回路111の出力電圧検出部26に代えて、トランスの3次巻線を含む負荷電圧検出部326を追加した電源回路311を備える。
Claims (7)
- 直列接続した第1及び第2スイッチと、直列接続した第3及び第4スイッチと、直列接続した2つのブリッジキャパシタと、が並列接続されるHブリッジと、
前記第1及び第2スイッチの接続点と前記第3及び第4スイッチの接続点との間に交流電源からの交流電圧を印加する経路に介在する第1インダクタと、
前記第3及び第4スイッチの接続点に一端が接続される第2インダクタと、
前記2つのブリッジキャパシタの中性点に一端が接続される第1キャパシタと、
前記第2インダクタの他端と前記第1キャパシタの他端との間に直列接続される1次巻線と、前記1次巻線に電磁的に結合する2次巻線とを有するトランスと、
前記トランスの2次巻線に接続される整流器と、
前記各スイッチに与えるスイッチング信号を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする電源装置。 - 前記第1インダクタは、前記第1及び第2スイッチの接続点と交流電源との間に直列に接続されることを特徴とする請求項1記載の電源装置。
- 前記交流電源の電源電圧を検出する第1の電圧検出手段と、
前記第1インダクタを流れる電源電流を検出する電流検出手段と、
前記Hブリッジのキャパシタ電圧を検出する第2の電圧検出手段と、
前記整流器が出力する負荷電圧を検出する第3の電圧検出手段と、をさらに備え、
前記制御部は、前記電源電圧、前記電源電流、前記キャパシタ電圧および前記負荷電圧を用いて、前記Hブリッジの各スイッチを駆動する信号を生成する、
ことを特徴とする前記請求項1又は2の何れかに記載の電源装置。 - 前記トランスに3次巻線を設け、
前記第3の電圧検出手段は、前記トランスに設けた3次巻線により前記負荷電圧を検出する、
ことを特徴とする前記請求項3に記載の電源装置。 - 前記制御部は、前記各スイッチに与えるスイッチング信号を制御することにより前記第1インダクタを流れる電源電流を前記交流電源の電源電圧と同位相にして前記Hブリッジのキャパシタ電圧を制御する、
ことを特徴とする前記請求項1乃至4の何れか1項に記載の電源装置。 - 前記制御部は、前記第3及び第4スイッチへ与えるスイッチング信号の周波数を制御することにより前記整流器が出力する負荷電圧を制御する、
ことを特徴とする前記請求項1乃至5の何れか1項に記載の電源装置。 - 前記請求項1乃至6の何れか1項に記載に電源装置を有するACアダプタ。
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