JP3661136B2 - Switching power supply with power factor correction function - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に力率改善機能を有するスイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
交流を直流に変換し、その直流をスイッチングすることによって安定な直流出力電圧を得るスイッチング電源回路において、交流を直流に変換する回路にコンデンサインプット型整流回路を用いると、正弦波の交流入力電圧に対して、波高値の高いパルス状の交流入力電流が流れ、入力電流波形の導通角が狭くなり、力率が低下する。この力率の低下を防ぐ方法としてコンデンサの前にチョークコイルを挿入するチョークインプット型整流回路が知られているが、商用電源の交流周波数が低いために、チョークコイルのインダクタンスが大きくなければならないという欠点がある。そこで、リアクトルとスイッチ素子の組み合わせによって、アクティブフィルタと呼ばれる回路が実用化されている。アクティブフィルタの中で従来用いられている回路例の原理図を図5に示す。この図の回路の動作のポイントは、コンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた低い入力電圧の区間においても、強制的に電流を流す点にある。図において、コンデンサ102は比較的大きな容量で、ブリッジ整流器118の出力電圧が正弦波の半周期の波形を繰り返しているのに対して、ほぼ一定の直流電圧で充電されているとみなすことができる。そこで、ブリッジ整流器118の出力電圧がコンデンサ102の充電々圧より低いときは、トランス111の1次巻線111Aとスイッチ素子113に流れるスイッチング電流はコンデンサ102に充電されている電荷によってまかなわれる。スイッチ素子113のオン期間にはトランス111の1次巻線111Aにコンデンサ102の電圧が加わり、補助巻線111Cには巻数比に応じた電圧が発生する。補助巻線111Cに発生する電圧はコンデンサ102側の端子がプラスになるように巻線の極性が選ばれていて、ブリッジ整流器118の出力電圧と補助巻線111Cの電圧を加算した値がコンデンサ102の電圧を上まわれば、ブリッジ整流器118の出力電流が流れる。すなわち、ブリッジ整流器118の出力電圧がコンデンサ102の充電々圧より低い区間でも交流入力電流が流れ、これによってコンデンサインプット型整流回路では非導通角であった区間でも電流が流れることになって、その結果、力率が改善される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
図5に示した回路において、ブリッジ整流器118の出力電圧のより低い区間からブリッジ整流器118の出力電流が流れるようにするためには補助巻線111Cの巻数を多くしなければならないが、補助巻線111Cの巻数が多い程コンデンサ102に充電される電圧が高くなる。その結果、スイッチ素子113のオフ期間にスイッチ素子113に加わる電圧も高くなり、一般的なスイッチング電源装置に用いられている製品の耐圧では不足する。
【0004】
そこで本発明は、スイッチ素子に加わる電圧が一般のスイッチング電源の場合に比べて高くなることを防ぎながら、ブリッジ整流器の出力電圧のより低い区間から電流が流れる回路を提供することを目的としている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、トランスの1次巻線にリアクトルを直列に接続し、1次巻線とリアクトルとからなる直列回路のスイッチ素子側の端子に生じる電圧を充電する第1のダイオードとコンデンサを付加し、トランスに補助巻線を追加しコンデンサに充電された電荷がスイッチ素子のオン期間にこの補助巻線を通りスイッチ素子を流れて放電するように構成し、そして、スイッチ素子のオフ期間に補助巻線にフライバック電流が流れないように、この方向の電流を阻止する第2ダイオードを付加したことを特徴としている。
【0006】
【作用】
本発明において、コンデンサはある程度大きな容量が選ばれ、電源が起動してしばらくたった後は商用電源の周期で変化する入力電圧に対しても、その両端の電圧が安定している。
【0007】
このコンデンサに充電されている電圧に対して、入力電圧が十分低い場合はスイッチ素子に流れる電流は主にコンデンサに充電されている電荷によってまかなわれるが、第1のダイオードによって直接スイッチ素子に流れるのを阻止されているので、補助巻線を通りトランスを励磁する。
【0008】
1次巻線には、スイッチ素子が接続されている側がプラスとなる電圧が発生し、この電圧に入力電圧を加算した値がコンデンサの電圧を上まわると1次巻線に電流が流れ、1次巻線に直列に接続されているリアクトルに励磁電流が流れる。すなわち、入力電圧がコンデンサの電圧より低くても入力電流が流れる。
【0009】
スイッチ素子がターンオフすると各巻線に巻数に比例したフライバック電圧が発生するが、1次巻線に直列に接続されているリアクトルは、励磁エネルギーを放出するために、1次巻線に生じているフライバック電圧にコンデンサの電圧を加算した値から入力電圧を引いた電圧を発生し、フライホイール電流を流す。このフライホイール電流は入力電圧がコンデンサの電圧より低くても流れる。
【0010】
上に示したリアクトルを流れる励磁電流とフライホイール電流は共に入力電流の一部であり、これがコンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた区間でも入力電流を流すことになり力率が改善される。
【0011】
コンデンサに充電される電圧は、入力電圧の波高値にほぼ等しくなるが、1次巻線とリアクトルによって過渡的に生じる高い電圧もコンデンサの電圧によってクランプされる。一方、補助巻線に生じるフライバック電圧によってスイッチ素子に加わる電圧は一般的なスイッチング電源の場合と変わりなく、従って、スイッチ素子の耐圧も一般的なスイッチング電源に用いるものと同じで良い。
【0012】
【実施例】
図1は請求項1記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。図2は図1の回路図の主要部の電圧電流波形を示した波形図である。図3と図4は図2の波形図の時間軸を拡大した図である。
【0013】
図1の回路において、ブリッジ整流器18の出力電圧は図2(a)に示したように正弦波の半周期分を繰り返した波形をしている。ブリッジ整流器18の出力電流は図2(b)に示したように、パルス状となり電圧の低いところから電流が流れ始め、電圧の上昇と共にパルスの波高値が大きくなっている。また、この電流はコンデンサ19とチョークコイル20からなるローパスフィルタを通すと、図2(c)のような高周波リップルが除去されたより正弦波に近い波形となる。
【0014】
図2(a)のブリッジ整流器18の出力電圧の低い区間におけるブリッジ整流器18を流れる電流とスイッチ素子13を流れる電流と2次側ダイオード14を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図3(a)と図3(b)と図3(c)に各々示す。図3(a)に示したように、ブリッジ整流器18の電流はスイッチ素子13に電流が流れている間に上昇し、スイッチ素子13がターンオフしたときから下降する。ブリッジ整流器18を流れる電流は、ブリッジ整流器18の出力電圧の上昇と共に、図3(a)に示したように、パルス幅が広がっていく。一方、スイッチ素子13の電流と2次側ダイオード14の電流のパルス幅は、図3(b)と図3(c)に示したようにほぼ一定している。ブリッジ整流器18の出力電流の下降する部分の幅が次のターンオンの時刻まで届くようになると電流は図3(a)に示したように連続的になる。
【0015】
図2(a)のブリッジ整流器18の出力電圧が高いところにおけるブリッジ整流器18を流れる電流とスイッチ素子13を流れる電流と2次側ダイオード14を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図4(a)と図4(b)と図4(c)に各々示す。図4(a)に示したように、ブリッジ整流器18には連続的な電流が流れる。
【0016】
コンデンサ2の電圧は、ブリッジ整流器18の出力電圧の変化に対して安定しており、スイッチ素子2のパルス幅も安定している。従って、スイッチ素子13はコンデンサインプット型整流方式のスイッチング電源回路のそれと同じように働く。そのため、スイッチ素子13のオン・オフを制御する発振制御回路にコンデンサインプット整流型スイッチング電源に用いてきた従来の方式がそのまま使える。
【0017】
請求項1記載の発明の実施例として図1に示した回路図と図2と図3と図4に各々示した波形図は固定周波数で制御されるフライバックコンバータを土台にしたものであるが、発振方式が他励式であっても自励式であっても本発明の応用は可能である。また、回路構成としてフォワードコンバータに応用することも可能である。
【0019】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来から用いられてきたコンデンサインプット型整流方式の部品を大幅に変更せずに力率を改善する回路を構成することができた。また、スイッチ素子に加わる電圧が一般のスイッチング電源の場合に比べて高くなるという問題も解決できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図2】図1の回路図の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【図3】図2の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図4】図2の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図5】従来方式の例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 コンデンサ
2 ダイオード
3 ダイオード
4 補助巻線
5、105 リアクトル
11、111 トランス
13、113 スイッチ素子
14、114 ダイオード
15、115 コンデンサ
16、116 負荷
17、117 発振制御回路
18、118 ブリッジ整流器
19、119 コンデンサ
20、120 チョークコイル
21、121 交流電源
11A、111A 1次巻線
11B、111B 2次巻線
102 コンデンサ
111C 補助巻線[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device having a power factor correction function.
[0002]
[Prior art]
In a switching power supply circuit that converts alternating current to direct current and obtains a stable direct current output voltage by switching the direct current, if a capacitor input type rectifier circuit is used for the circuit that converts alternating current to direct current, the AC input voltage is sinusoidal. On the other hand, a pulsed AC input current having a high peak value flows, the conduction angle of the input current waveform becomes narrow, and the power factor decreases. A choke input type rectifier circuit in which a choke coil is inserted in front of a capacitor is known as a method for preventing the power factor from decreasing. However, since the AC frequency of the commercial power supply is low, the choke coil inductance must be large. There are drawbacks. Therefore, a circuit called an active filter has been put into practical use by a combination of a reactor and a switch element. FIG. 5 shows a principle diagram of a circuit example conventionally used in an active filter. The point of the operation of the circuit of this figure is that a current is forced to flow even in a low input voltage section in which a non-conduction angle is present in the capacitor input type rectifier circuit. In the figure, the
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In the circuit shown in FIG. 5, in order for the output current of the
[0004]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a circuit in which a current flows from a lower section of the output voltage of the bridge rectifier while preventing the voltage applied to the switch element from becoming higher than that in the case of a general switching power supply.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, a reactor is connected in series to a primary winding of a transformer, and a voltage generated at a switch element side terminal of a series circuit including the primary winding and the reactor is charged. A diode and a capacitor are added, an auxiliary winding is added to the transformer, and the electric charge charged in the capacitor is configured to flow through the auxiliary winding and discharge through the auxiliary element during the ON period of the switching element, and the switching element In order to prevent a flyback current from flowing through the auxiliary winding during the off period, a second diode for blocking current in this direction is added.
[0006]
[Action]
In the present invention, a capacitor having a certain large capacity is selected, and after a while after the power supply is started, the voltage at both ends thereof is stable even with respect to the input voltage that changes with the cycle of the commercial power supply.
[0007]
When the input voltage is sufficiently lower than the voltage charged in this capacitor, the current flowing through the switch element is mainly provided by the charge charged in the capacitor, but it flows directly to the switch element through the first diode. Since it is blocked, the transformer is excited through the auxiliary winding.
[0008]
In the primary winding, a positive voltage is generated on the side to which the switch element is connected. When the value obtained by adding the input voltage to the voltage exceeds the voltage of the capacitor, a current flows in the primary winding. Excitation current flows through a reactor connected in series with the next winding. That is, the input current flows even if the input voltage is lower than the capacitor voltage.
[0009]
When the switch element is turned off, a flyback voltage proportional to the number of turns is generated in each winding, but a reactor connected in series with the primary winding is generated in the primary winding in order to release excitation energy. A voltage obtained by subtracting the input voltage from the value obtained by adding the capacitor voltage to the flyback voltage is generated, and the flywheel current is supplied. This flywheel current flows even if the input voltage is lower than the capacitor voltage.
[0010]
The exciting current and flywheel current flowing through the reactor shown above are both part of the input current, and this causes the input current to flow even in the section where the capacitor input type rectifier circuit has a non-conduction angle, improving the power factor. Is done.
[0011]
The voltage charged in the capacitor is approximately equal to the peak value of the input voltage, but the high voltage transiently generated by the primary winding and the reactor is also clamped by the capacitor voltage. On the other hand, the voltage applied to the switch element by the flyback voltage generated in the auxiliary winding is the same as that of a general switching power supply, and therefore the breakdown voltage of the switch element may be the same as that used for a general switching power supply.
[0012]
【Example】
FIG. 1 is a circuit diagram showing a switching power supply with a power factor correction function according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a waveform diagram showing voltage-current waveforms in the main part of the circuit diagram of FIG. 3 and 4 are enlarged views of the time axis of the waveform diagram of FIG.
[0013]
In the circuit of FIG. 1, the output voltage of the
[0014]
The time axis of the waveforms of the current flowing through the
[0015]
4A is an enlarged view of the waveforms of the current flowing through the
[0016]
The voltage of the capacitor 2 is stable against changes in the output voltage of the
[0017]
As an embodiment of the invention described in claim 1, the circuit diagram shown in FIG. 1 and the waveform diagrams shown in FIGS. 2, 3, and 4 are based on a flyback converter controlled at a fixed frequency. The present invention can be applied regardless of whether the oscillation system is a separately excited type or a self-excited type. Further, the circuit configuration can be applied to a forward converter.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to configure a circuit that improves the power factor without significantly changing the conventional capacitor input type rectification system components. In addition, the problem that the voltage applied to the switch element is higher than that of a general switching power supply can be solved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a switching power supply with a power factor correction function according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a waveform diagram showing voltage and current waveforms in the main part of the circuit diagram of FIG. 1;
FIG. 3 is a waveform diagram in which the time axis of the waveform diagram of FIG. 2 is enlarged.
4 is a waveform diagram in which the time axis of the waveform diagram of FIG. 2 is enlarged. FIG.
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of a conventional system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Capacitor 2 Diode 3 Diode 4 Auxiliary winding 5, 105
Claims (1)
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| JP18570597A JP3661136B2 (en) | 1997-06-06 | 1997-06-06 | Switching power supply with power factor correction function |
Applications Claiming Priority (1)
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- 1997-06-06 JP JP18570597A patent/JP3661136B2/en not_active Expired - Fee Related
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