JP4518965B2

JP4518965B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4518965B2
Application number: JP2005012473A
Authority: JP
Inventors: 栄柴崎
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2025-01-20
Also published as: JP2006204008A

Description

本発明は交流電源を入力とする高力率形スイッチング電源の改善に関するものである。

従来の高力率形スイッチング電源（以下「PFC」という。）は、入力リップル電流波形によって不連続、臨界、連続の3種類に分けられる（臨界については特許文献１参照）。
特開平１０−１４６０４９号公報

連続モードのPFCはスイッチ素子の電流実効値が小さいため導通損が小さくなり、比較的大きな出力電力の装置に向いているが、ダイオードのリカバリーによるノイズが大きいという問題もある。また、昇圧チョークに大きいL値のものが必要になるが、入力フィルタが小さくできる特徴を持つ。

また、不連続と臨界モードのPFCは、小さな出力電力の装置に向いており、ダイオードのリカバリーによるノイズが発生しないという特徴がある。また、昇圧チョークは小さくできるが入力フィルタは大きなものが必要になる。

従来の不連続・臨界・連続モードのPFCでは、かならずどこかに大きなL値のチョークが必要になり、装置全体の大きさを小型・軽量にできないという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることで、入力フィルタの小型化・低コスト化を達成するスイッチング電源装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明は、交流電源に高域阻止フィルタを介して接続された全波整流器の直流出力に昇圧チョークとスイッチ素子と電流検出抵抗を直列に接続し、上記スイッチ素子がオフの時に上記昇圧チョークの電流を整流するように構成した、整流ダイオードとこの整流ダイオードの電流を検出する電流検出素子と平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御された臨界制御モード高力率形スイッチング電源と、上記高域阻止フィルタの出力に上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源と並列にｎ台（ｎ＞＝ｋ）の同等な臨界制御モード高力率形スイッチング電源が接続されたスイッチング電源装置において、ｋ台目の上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流と、上記整流平滑回路の上記整流ダイオードの電流によって、ループ状に展開して上記ｋ台目の臨界制御モード高力率形スイッチング電源の次に位置する臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御するように構成してあることを特徴とする。

また、本発明は、交流電源に高域阻止フィルタを介して接続された全波整流器の直流出力に昇圧チョークとスイッチ素子と電流検出抵抗を直列に接続し、上記スイッチ素子がオフの時に上記昇圧チョークの電流を整流するように構成した、整流ダイオードとこの整流ダイオードの電流を検出する電流検出素子と平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御された臨界制御モード高力率形スイッチング電源と、上記全波整流器の直流出力に上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源と並列にｎ台（ｎ＞＝ｋ）の同等な臨界制御モード高力率形スイッチング電源が接続されたスイッチング電源装置において、ｋ台目の上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流と、上記整流平滑回路の上記整流ダイオードの電流によって、ループ状に展開して上記ｋ台目の臨界制御モード高力率形スイッチング電源の次に位置する臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御するように構成してあることを特徴とする。

本発明によれば、複数台の臨界制御モードPFCをスイッチ素子の動作タイミングをずらして並列運転することによって、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることで、大きなインダクタ値のチョークが不要になり、装置全体を小型にでき、低コスト化が図れ、出力電力の大容量化と低ノイズ化を同時に達成することが可能である。

図１に本発明を実施するための最良の形態における回路図を示す。また、図２に本発明に係る臨界制御モードPFCが一台の場合の回路図を示す。
交流電源１の交流電圧を、高域阻止フィルタ２を介して全波整流器３により全波整流される。全波整流器３の直流出力に昇圧チョーク４とスイッチ素子８と電流検出抵抗７とを直列に接続してある。昇圧チョーク４とスイッチ素子８との接続部から整流ダイオード９を接続し、整流ダイオード９と電流検出素子１０と平滑用コンデンサ１１とを直列に接続して整流平滑回路を構成し、スイッチ素子８がオフした時に昇圧チョーク４の電流を検出するように構成してある。

本実施形態では、臨界制御モードPFC２０を備えてあり、この臨界制御モードPFC２０は、昇圧チョーク４の励磁がリセットされた後にスイット素子８がオンし始めるように制御されるように構成してある。また、本実施形態では、スイッチ素子８のオフタイミングが全波整流された電圧波形に比例する信号を電流閾値とすることによって制御されるように構成してある。

本実施形態では、高域阻止フィルタ２の出力に臨界制御モードPFC２０と並列に（ｎ−１）台の同等な臨界制御モードPFC２０が接続されている。即ち、本実施形態では、ｎ台の臨界制御モードPFC２０を備えてある。

具体的には、1台目の臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の電流IQ₁と、整流平滑回路を構成する整流ダイオード９の電流Id₁によって、2台目の並列接続された同等な臨界制御モードPFC２０の乗算回路１７の出力信号に、１台目のスイッチ素子８の電流IQ₁を２台目の加減算演算回路１６で減算し、１台目整流ダイオード９の電流Id₁を２台目の加減算演算回路１６で加算することで２台目のスイッチ素子８のオフタイミングをずらすように制御する。

これと同様に複数台の臨界制御モードPFC２０が次の並列接続された同等な臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の電流閾値を前記同様加・減算することでオフタイミングをずらすように制御する。

これを(n-1)台目まで同様に構成し、即ち、(n-1)台目の上記臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の電流と、整流平滑回路を構成する整流ダイオード９の電流によって、ｎ台目の並列接続された同等な臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の乗算回路１７の出力信号に、(n-1)台目のスイッチ素子８の電流IQ_n-1をｎ台目の加減算演算回路１６で減算し、(n-1)台目整流ダイオード９の電流Id_n-1をｎ台目の加減算演算回路１６で加算することでｎ台目のスイッチ素子８のオフタイミングをずらすように制御する。

続いて、ｎ台目の並列に接続された臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の電流と、整流平滑回路を構成する整流ダイオード９の電流によって、1台目の臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の乗算回路１７の出力信号に、ｎ台目のスイッチ素子８の電流IQ_nを１台目の加減算演算回路１６で減算し、ｎ台目整流ダイオード９の電流Id_nを１台目の加減算演算回路１６で加算することでオフタイミングをずらすように制御するようにしてある。言いかえれば、最後の上記臨界制御モードＰＦＣ２０のスイッチ素子８の電流と、整流平滑回路を構成する整流ダイオード９の電流によって、最初即ち１台目の臨界制御モードＰＦＣ２０のスイッチ素子８の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御する構成になる。

図３は臨界制御モードPFCの１、２、３台の時のそれぞれの入力リップル電流波形を示す。また、図４は図２図示実施例における入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形である。図５は図1図示実施例の方式による、臨界制御モードPFCが２台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形を、図６は同じく臨界制御モードPFCが３台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形を、図７は同じく臨界制御モードPFCが４台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形をそれぞれ示す。

図４乃至図７に示す波形図より、複数台の臨界制御モードPFCをスイッチ素子の動作タイミングをずらして並列運転することによって、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることで、大きなインダクタ値のチョークが不要になる。これについては、臨界制御モードPFCの台数が多くなるほど著しくなる。以上より、臨界制御モードPFCを何台でも並列運転することができ、装置全体を小型にでき、低コスト化が図れ、出力電力の大容量化と入力フィルタの小型化・低コスト化を追求することができる。

本発明において、全波整流器３を１台のみとした場合の実施例を図８に示す。
交流電源１の交流電圧を、高域阻止フィルタ２を介して全波整流器３により全波整流される。全波整流器３の直流出力に図１図示実施例と同様に臨界制御モードPFC２０を接続してある。

本実施形態では、全波整流器３の出力に臨界制御モードPFC２０と並列に（ｎ−１）台の同等な臨界制御モードPFC２０が接続されている。即ち、本実施形態では、ｎ台の臨界制御モードPFC２０を備えてある。

図１図示実施例と同様に、複数台の臨界制御モードPFC２０が次の並列接続された同等な臨界制御モードPFC２０のスイッチ素子８の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御する。

本実施例は図１図示実施例と同様、図４乃至図７に示すような動作波形を表す。これにより、複数台の臨界制御モードPFCをスイッチ素子の動作タイミングをずらして並列運転することによって、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることで、大きなL値のチョークが不要になる。これについては、臨界制御モードPFCの台数が多くなるほど著しくなる。以上より、臨界制御モードPFCを何台でも並列運転することができ、装置全体を小型にでき、低コスト化が図れ、出力電力の大容量化と入力フィルタの小型化・低コスト化を追求することができる。

本発明において、絶縁型臨界モードPFCに適用し、2台並列運転を行なった場合の実施例を図９に示す。
交流電源１の交流電圧を、高域阻止フィルタ２を介して全波整流器３により全波整流される。全波整流器３の直流出力に絶縁型臨界制御モードPFCを接続してある。本実施形態では、高域阻止フィルタ２の出力に絶縁型臨界制御モードPFCと並列にもう一台の同等な絶縁型臨界制御モードPFCが接続されている。

前記実施例と同様に、２台の絶縁型臨界制御モードPFCが隣に並列接続された同等な絶縁型臨界制御モードPFCのスイッチ素子の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御する。

図１０は絶縁型臨界制御モードPFCを２台有する時の入力リップル電流波形を示す。これに示すように、本実施例の入力リップル電流波形は図３に示す図１図示実施例の入力リップル電流波形に比べて入力リップル電流波形の振幅の差は大きいが、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることができるので、前記実施例と同様に、大きなインダクタ値のチョークが不要になる。これについては、臨界制御モードPFCの台数が多くなるほど著しくなる。以上より、臨界制御モードPFCを何台でも並列運転することができ、装置全体を小型にでき、低コスト化が図れ、出力電力の大容量化と入力フィルタの小型化・低コスト化を追求することができる。

本発明において、非絶縁型極性反転チョッパによる臨界モードPFCに適用し、2台並列運転を行なった場合の実施例を図１１に示す。
この場合においても、前記実施例と同様の制御を行い、前記実施例と同様の効果を有する。

本発明において、整流ダイオード９の電流を昇圧チョーク巻線５の電流とスイッチ素子８の電流から演算した場合の実施例を図１２に示す。
この実施例では、全波整流器３の直流出力と電気的負荷１２との間に昇圧チョーク電流検出抵抗２２を接続してあり、この昇圧チョーク電流検出抵抗２２により、整流ダイオード９の電流を昇圧チョーク巻線５の電流とスイッチ素子８の電流から演算している。

その他の構成については、図１図示実施例とほぼ同様であり、制御手段も図１図示実施例とほぼ同様であるため、前記実施例と同様の効果を有する。

本発明は、複数台の臨界制御モードPFCをスイッチ素子の動作タイミングをずらして並列運転することによって、入力フィルタに流れる高周波リップル電流の周波数を上げ、且つ高周波成分の振幅を小さくすることで、大きなL値のチョークが不要になり、装置全体を小型にでき、低コスト化が図れ、出力電力の大容量化と低ノイズ化を同時に達成することができ、大いに産業上利用することができる。

高力率形スイッチング電源において、入力フィルタの小型化・低コスト化を達成する回路図である。臨界制御モードPFC１台の時の回路図である。図2図示実施例の方式による入力リップル電流波形と、図１図示実施例の方式による臨界制御モードPFC２台の時と、３台の時の入力リップル電流波形である。実際の動作よりも周波数を低くした時の電流波形である。図2図示実施例の方式による入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形である。図1図示実施例の方式による、臨界制御モードPFCが２台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形である。図1図示実施例の方式による、臨界制御モードPFCが３台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形である。図1図示実施例の方式による、臨界制御モードPFCが４台並列運転時の入力リップル電流波形と制御回路の各部の電圧波形である。本発明において、全波整流器３を１台とした場合の実施例である。本発明において、絶縁型臨界モードPFCに適用し、2台並列運転を行なった場合の実施例である。図９図示実施例の方式による入力リップル電流波形である。本発明において、非絶縁型極性反転チョッパによる臨界モードPFCに適用し、2台並列運転を行なった場合の実施例である。本発明において、整流ダイオード９の電流を昇圧チョーク巻線５の電流とスイッチ素子８の電流から演算した場合の実施例である。

符号の説明

１交流電源
２高域阻止フィルタ
３全波整流器
４昇圧チョーク
５昇圧チョーク巻線
６励磁リセット検出用巻線
７電流検出抵抗
８スイッチ素子
９整流ダイオード
１０電流検出素子
１１平滑用コンデンサ
１２電気的負荷
１３ NOT論理回路
１４ RSラッチ回路
１５コンパレータ
１６加減算演算回路
１７乗算回路
１８誤差増幅器
１９基準電圧
２０臨界制御モードPFC
２１コモンモードチョークコイル
２２昇圧チョーク電流検出抵抗

Claims

交流電源に高域阻止フィルタを介して接続された全波整流器の直流出力に昇圧チョークとスイッチ素子と電流検出抵抗を直列に接続し、上記スイッチ素子がオフの時に上記昇圧チョークの電流を整流するように構成した、整流ダイオードとこの整流ダイオードの電流を検出する電流検出素子と平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御された臨界制御モード高力率形スイッチング電源と、上記高域阻止フィルタの出力に上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源と並列にｎ台（ｎ＞＝ｋ）の同等な臨界制御モード高力率形スイッチング電源が接続されたスイッチング電源装置において、ｋ台目の上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流と、上記整流平滑回路の上記整流ダイオードの電流によって、ループ状に展開して上記ｋ台目の臨界制御モード高力率形スイッチング電源の次に位置する臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御するように構成してあることを特徴とするスイッチング電源装置。
交流電源に高域阻止フィルタを介して接続された全波整流器の直流出力に昇圧チョークとスイッチ素子と電流検出抵抗を直列に接続し、上記スイッチ素子がオフの時に上記昇圧チョークの電流を整流するように構成した、整流ダイオードとこの整流ダイオードの電流を検出する電流検出素子と平滑用コンデンサからなる整流平滑回路と、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御された臨界制御モード高力率形スイッチング電源と、上記全波整流器の直流出力に上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源と並列にｎ台（ｎ＞＝ｋ）の同等な臨界制御モード高力率形スイッチング電源が接続されたスイッチング電源装置において、ｋ台目の上記臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流と、上記整流平滑回路の上記整流ダイオードの電流によって、ループ状に展開して上記ｋ台目の臨界制御モード高力率形スイッチング電源の次に位置する臨界制御モード高力率形スイッチング電源のスイッチ素子の電流閾値を加・減算することでオフタイミングをずらすように制御するように構成してあることを特徴とするスイッチング電源装置。