JP2002315318A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ダミー負荷を設けることなく、起動回路の電力
損失を低減させた力率改善回路を含むスイッチング電源
装置を提供する。 【解決手段】力率改善回路１において、スイッチング素
子３はチョークコイル２を通して供給される整流電圧を
交流電源ＡＣより高い周波数でスイッチングし、昇圧し
て出力する。整流平滑回路４はスイッチング出力を整流
電圧より高い電圧に変換して出力する。補助電源回路６
はチョークコイル２に磁気結合した補助巻線６１に誘起
した電圧を整流平滑して平滑コンデンサ６４から制御回
路５に動作電源を供給する。起動回路６は整流平滑回路
４に接続され、平滑コンデンサ６４の電圧が所定値以下
のとき、電力制御素子７１を介して所定値に充電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、昇圧型の力率改善
回路を含むスイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源装置は、交流電源を入
力整流平滑回路によって整流平滑して直流電圧に変換
し、この直流電圧をスイッチング素子によって断続し、
スイッチング出力を出力整流平滑回路に供給し、整流平
滑して任意の直流出力電圧を得るようになっている。こ
のようなスイッチング電源装置において、入力側の平滑
回路がコンデンサインプット型であると、入力電流が流
れるのは、整流電圧が入力平滑コンデンサの充電電圧よ
り高い期間のみとなり、力率を低下させるという問題が
あった。この問題を解決するため、従来から、昇圧型力
率改善回路を含むスイッチング電源装置が用いられてい
る。

【０００３】昇圧型力率改善回路は、チョークコイル
と、スイッチング素子と、整流平滑回路と、制御回路と
を含んでいる。チョークコイルには交流電源を整流した
電圧が供給される。スイッチング素子は、チョークコイ
ルを通して供給される整流電圧を交流電源の周波数より
高い周波数でスイッチングし、昇圧して出力する。整流
平滑回路は、スイッチングされた出力を整流平滑し、入
力の整流電圧より高い直流電圧に変換して出力する。制
御回路は、スイッチング素子のスイッチングを制御す
る。

【０００４】スイッチング素子は、入力の整流電圧を交
流電源の周波数より高い周波数でスイッチングし、昇圧
して出力するから、交流一周期の全期間を通じて入力電
流を分散して流すことができる。制御回路は、スイッチ
ング素子に流れる電流が、前記交流電源の電圧波形に比
例するようにスイッチング素子のスイッチングを制御す
るから、スイッチング電源装置の力率を改善することが
できる。

【０００５】前記制御回路を動作させるためには補助電
源を必要とする。補助電源は、スイッチング電源装置に
電源が供給されると動作を開始する自励式のＤＣ−ＤＣ
コンバータを用いて構成してもよいが、起動回路を備え
ることにより、補助電源回路を簡素化できる。

【０００６】実公昭６３−２５９０６号公報に起動回路
を備えたスイッチングレギュレータの一例が開示されて
いる。この公報に開示されたスイッチングレギュレータ
は、入力側の整流回路に接続された起動回路と、電力変
換用のトランスに付加したコイルを含む補助電源回路を
備えている。起動回路は、スイッチングレギュレータの
起動時に、入力側の整流回路から、スイッチング素子を
制御するパルス幅変調回路に電力を供給して、スイッチ
ング素子を動作させる。スイッチング素子が動作した後
のパルス幅変調回路の動作電力は、スイッチング素子の
スイッチングによって、トランスに付加したコイルに誘
起した電圧を整流平滑して供給するようになっている。

【０００７】このスイッチングレギュレータは力率改善
型ではないが、昇圧型力率改善回路においても、トラン
スに付加したコイルに換えて、チョークコイルに補助巻
線を付加することにより、同様の構成をとることができ
る。しかし、昇圧型力率改善回路は、交流電源の異常や
電圧変動により、入力整流電圧が目的とする昇圧電圧を
上回る期間が発生すると、その期間において、力率改善
回路の機能が得られない。このため、チョークコイルに
付加した補助巻線に誘起電圧が得られない期間が発生
し、制御回路に供給する電力が減少する。また、制御回
路に供給する電力の減少は、スイッチング電源装置の負
荷が軽負荷になったときにも発生する。

【０００８】補助巻線から制御回路に供給される電力の
減少は、起動回路から供給される電力の増大を招く。起
動回路から供給される電力は、入力整流電圧を抵抗等で
構成される分圧回路で降圧したものである。このため、
起動回路から供給される電力の増大は起動回路の電力損
失の増大を招き、更には、起動回路を構成する素子の過
剰発熱を招く等の問題がある。

【０００９】補助巻線に誘起する電力は、スイッチング
電源装置にダミー負荷を設けて増大させることもできる
が、この方法もスイッチング電源装置の電力損失を増大
させる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、ダミ
ー負荷を設けることなく、補助巻線に誘起する電力を増
大させ、電力損失を低減した力率改善回路を含むスイッ
チング電源装置を提供することである。

【００１１】本発明のもう一つの課題は、起動回路の負
担を軽減させ、起動回路の電力損失を低減した力率改善
回路を含むスイッチング電源装置を提供することであ
る。

【００１２】本発明の更にもう一つの課題は、起動回路
の負担を軽減させ、起動回路を構成する素子の過剰発熱
を防止した力率改善回路を含むスイッチング電源装置を
提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係るスイッチング電源装置は力率改善回
路を含む。

【００１４】前記力率改善回路は、チョークコイルと、
スイッチング素子と、整流平滑回路と、制御回路と、補
助電源回路と、起動回路とを含む。

【００１５】前記チョークコイルは、交流電源を整流し
た電圧が供給される。

【００１６】前記スイッチング素子は、前記チョークコ
イルを通して供給される整流電圧を前記交流電源の周波
数より高い周波数でスイッチングし、昇圧して出力す
る。

【００１７】前記整流平滑回路は、前記スイッチングさ
れた出力を整流平滑し、前記整流電圧より高い直流電圧
に変換して出力する。

【００１８】前記制御回路は、前記スイッチング素子の
スイッチングを制御する。

【００１９】前記補助電源回路は、前記チョークコイル
に磁気結合した補助巻線と、整流素子と、平滑コンデン
サとを含み、前記補助巻線に誘起した電圧を整流平滑し
て、前記制御回路に動作電源を供給する。

【００２０】前記起動回路は、電力制御素子を含み、前
記整流平滑回路に接続され、前記平滑コンデンサの電圧
が所定値以下のとき、前記電力制御素子を介して前記平
滑コンデンサを所定値に充電する。

【００２１】上述したスイッチング電源装置において、
前記チョークコイルは、交流電源を整流した電圧が供給
される。

【００２２】前記スイッチング素子は、前記チョークコ
イルを通して供給される整流電圧を前記交流電源の周波
数より高い周波数でスイッチングし、昇圧して出力す
る。

【００２３】前記整流平滑回路は、前記スイッチングさ
れた出力を整流平滑し、前記整流電圧より高い直流電圧
に変換して出力するから、前記スイッチング素子は、交
流一周期の全期間を通じて入力電流を断続し、入力電流
を分散して流すことができる。

【００２４】前記制御回路は、前記スイッチング素子の
スイッチングを制御するから、スイッチング素子に流れ
る電流が、前記交流電源の電圧波形に比例するように制
御して力率を改善することができる。

【００２５】前記補助電源回路は、前記チョークコイル
に磁気結合した補助巻線と、整流素子と、平滑コンデン
サとを含み、前記補助巻線に誘起した電圧を整流平滑し
て、前記制御回路に動作電源を供給する。

【００２６】前記起動回路は、電力制御素子を含み、前
記整流平滑回路に接続され、前記平滑コンデンサの電圧
が所定値以下のとき、前記電力制御素子を介して前記平
滑コンデンサを所定値に充電するから、スイッチング電
源装置の起動時に、前記平滑コンデンサの電圧が所定値
以下であると、前記整流平滑回路から電力の供給を受
け、前記平滑コンデンサを所定値に充電する。前記平滑
コンデンサの充電電圧は前記制御回路の動作電源とな
る。

【００２７】前記制御回路が動作を開始すると、前記ス
イッチング素子が、前記チョークコイルを通して供給さ
れる整流電圧を前記交流電源の周波数より高い周波数で
スイッチングするから、前記補助巻線に電圧が誘起す
る。前記補助巻線に誘起した電圧は整流平滑されて、前
記制御回路に動作電源を供給するから、前記整流平滑回
路から前記起動回路を介して供給される電力は無くな
り、前記起動回路の電力損失が低減する。

【００２８】本発明のスイッチング電源装置は軽負荷に
なっても、補助巻線に誘起する電力の減少を抑制でき
る。本発明のスイッチング電源装置は、前記起動回路が
前記整流平滑回路に接続されている。

【００２９】このため、スイッチング電源装置の負荷が
軽くなって、補助巻線に誘起する電力が減少すると、前
記起動回路を介して前記整流平滑回路から、前記制御回
路の動作電源が供給される。

【００３０】前記制御回路は、スイッチング電源装置の
負荷となるため、スイッチング電源装置にダミー負荷を
設けたのと同じ状態となる。このため、補助巻線に誘起
する電力が増大し、前記起動回路を介して供給される電
力が減少する。この結果、前記制御回路の動作電源は、
前記起動回路を介して供給される電力と補助巻線に誘起
する電力とで、スイッチング電源装置の負荷の状態に応
じて分担し合い供給される。

【００３１】従って、本発明は、ダミー負荷を設けるこ
となく、補助巻線に誘起する電力を増大させ、電力損失
を低減した力率改善回路を含むスイッチング電源装置を
提供することができる。

【００３２】また、起動回路の負担を軽減させ、起動回
路の電力損失を低減し、更に、起動回路を構成する素子
の過剰発熱を防止した力率改善回路を含むスイッチング
電源装置を提供することができる。

【００３３】本発明の他の目的、構成及び利点について
は、添付図面を参照し更に詳しく説明する。但し、添付
図面は単なる例示に過ぎない。

【００３４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るスイッチン
グ電源装置の一実施例を示す電気回路図である。図示さ
れたスイッチング電源装置は、力率改善回路１と、入力
整流回路８と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９とを含んでい
る。

【００３５】力率改善回路１は、チョークコイル２と、
スイッチング素子３と、整流平滑回路４と、制御回路５
と、補助電源回路６と、起動回路７とを含む。

【００３６】チョークコイル２は、スイッチング素子３
の主電極を介して入力端子Ｔｉｎに接続される。入力端
子Ｔｉｎには入力整流回路８が接続される。入力整流回
路８は、商用交流電源ＡＣを全波整流し、整流電圧を出
力する。

【００３７】入力整流回路８は、本発明の内部要素であ
っても、外部要素であってもよく、また、交流電源ＡＣ
は商用交流以外のその他の交流電源であってもよい。

【００３８】スイッチング素子３は、チョークコイル２
を通して供給される整流電圧を交流電源ＡＣの周波数よ
り高い周波数でスイッチングし、昇圧して出力する。ス
イッチング素子３は、供給された整流電圧を交流電源Ａ
Ｃより高い周波数でスイッチングできればよく、典型的
には、バイポーラトランジスタや電界効果トランジスタ
等の、制御電極を有する半導体素子が用いられる。本実
施例はバイポーラトランジスタを用いている。

【００３９】整流平滑回路４は、整流ダイオード４１と
出力平滑コンデンサ４２との直列回路を含み、チョーク
コイル２を介して入力端子Ｔｉｎに接続され、スイッチ
ングされた出力を整流平滑し、前記整流電圧より高い直
流電圧に変換して出力する。出力平滑コンデンサ４２の
両端は力率改善回路１の出力端子Ｔｏｕｔに接続され
る。

【００４０】制御回路５は、制御信号をスイッチング素
子３の制御電極に供給し、スイッチング素子３に流れる
電流が、交流電源ＡＣの電圧波形に比例するように、交
流電源ＡＣの周波数より高い周波数でスイッチング素子
３のスイッチング動作を制御する。

【００４１】補助電源回路６は、チョークコイル２に磁
気結合した補助巻線６１と、整流用ダイオード６２と、
レベルシフト用ダイオード６３と、平滑コンデンサ６４
と直流カットコンデンサ６５とを含んでいる。直流カッ
トコンデンサ６５と、整流用ダイオード６２と、平滑コ
ンデンサ６４とは直列に接続され、補助巻線６１の両端
間に接続され、補助巻線６１に誘起した電圧の変動分を
整流し、平滑する。レベルシフト用ダイオード６３は、
直流カットコンデンサ６５を介して補助巻線６１の両端
間に接続され、補助巻線６１に誘起した電圧をレベルシ
フトする。平滑コンデンサ６４の両端は制御回路５に接
続され、制御回路５に動作電源を供給する。

【００４２】起動回路７は、トランジスタでなる電力制
御素子７１と抵抗７２、７３と、ツェナーダイオード７
４とを含んでいる。電力制御素子７１は、本実施例では
バイポーラトランジスタを用いているが、電界効果トラ
ンジスタ等の半導体素子を用いることもできる。

【００４３】電力制御素子７１と抵抗７２とは直列に接
続され、補助電源回路６の平滑コンデンサ６４を介し
て、整流平滑回路４の出力端間に接続される。ツェナー
ダイオード７４と抵抗７３とは直列に接続され、整流平
滑回路４の出力端間に接続され、ツェナー電圧を電力制
御素子７１の制御電極に供給する。

【００４４】電力制御素子７１は、平滑コンデンサ６４
の電圧が所定値以下のとき、電力制御素子７１と抵抗７
２とを介して整流平滑回路４の出力を所定電圧に降圧
し、平滑コンデンサ６４を所定値に充電する。

【００４５】電力制御素子７１と抵抗７２との直列回路
およびツェナーダイオード７４と抵抗７３との直列回路
は、それぞれ整流平滑回路４の出力端間に接続される。
その接続点は、チョークコイル２の後段であればよく、
整流平滑回路４の入力端間でもよいが、電圧が安定に制
御されている出力端間であればより好ましい。

【００４６】ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、力率改善回路
１の出力端子Ｔｏｕｔに接続される。ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ９は本発明の内部要素であっても、外部要素であっ
てもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、本実施例ではフ
ォワードコンバータとして構成されている。この他、フ
ライバックコンバータやプッシュプルコンバータあるい
はその他のブリッジ型コンバータでもよく、何れの形式
でも利用できる。

【００４７】図示実施例において、ＤＣ−ＤＣコンバー
タ９は、力率改善回路１の出力端子Ｔｏｕｔから、電力
変換トランス９１の一次巻線Ｎ１を通して供給される電
力を、メインのスイッチング素子９２によって断続し、
電力変換トランス９１の二次巻線Ｎ２に現れるスイッチ
ング出力を、ダイオード９３、９４によって構成される
整流回路によって整流し、整流出力を、チョークコイル
９５及びコンデンサ９６よりなる平滑回路によって平滑
し、出力端子Ｔ０１、Ｔ０２を介して、負荷に電力を供
給する。

【００４８】出力端子Ｔ０１、Ｔ０２の間には、出力電
圧を分圧する抵抗Ｒ１１、Ｒ１２が接続されており、こ
れらの抵抗Ｒ１１、Ｒ１２によって分圧された電圧を電
圧検出部９７に供給し、電圧検出部９７によって検出さ
れた出力電圧検出信号を、例えば、フォトカプラ等の絶
縁結合手段９８によって、制御部９９に伝送する。そし
て、制御部９９からスイッチング素子９２に供給される
制御信号により、負荷に供給される出力電圧Ｖ０が一定
となるように、スイッチング素子９２のスイッチング動
作を制御する。

【００４９】上述したスイッチング電源装置において、
交流電源ＡＣから整流回路８を介して整流電圧が供給さ
れると、整流電圧は、チョークコイル２を介して整流平
滑回路４に印加され、出力平滑コンデンサ４２を充電す
る。出力平滑コンデンサ４２の電圧が起動回路７のツェ
ナーダイオード７４のツェナー電圧に至ると、電力制御
素子７１が導通し平滑コンデンサ６４を所定値迄充電す
る。平滑コンデンサ６４の電圧は制御回路５の動作電源
となる。

【００５０】制御回路５が動作を開始するとスイッチン
グ素子３がオン・オフを開始する。スイッチング素子３
のオン期間において、チョークコイル２を介して供給さ
れる電流は、スイッチング素子３を介して流れ、チョー
クコイル２に励磁エネルギーを蓄える。チョークコイル
２に蓄えられた励磁エネルギーは、スイッチング素子３
のオフ期間において、整流電圧に重畳して昇圧され、整
流平滑回路４に供給される。

【００５１】整流平滑回路４は、供給されたスイッチン
グ出力を整流平滑し、前記整流電圧より高い直流電圧に
変換して出力する。

【００５２】スイッチング素子３は、交流一周期の全期
間を通じて入力電流を断続し、入力電流を分散して流す
ことができる。

【００５３】制御回路５は、スイッチング素子３のスイ
ッチングを制御するから、スイッチング素子３に流れる
電流が、前記交流電源の電圧波形に比例するように制御
して力率を改善することができる。

【００５４】商用交流電源ＡＣの電圧は地域により異な
るが、１００〜２４０Ｖの範囲である。このため、前記
整流電圧は概略１４０〜３４０Ｖの範囲となり、整流平
滑回路４の電圧は、本実施例では直流３８０Ｖ程度にな
るよう制御される。

【００５５】スイッチング素子３のスイッチング動作に
よりチョークコイル２に印加される電圧で、補助巻線６
１に電圧が誘起する。補助巻線６１に誘起する電圧は、
チョークコイル２と補助巻線６１の巻数に比例する。

【００５６】スイッチング素子３のオン期間において、
補助巻線６１に誘起した電圧は、直流カットコンデンサ
６５を介してダイオード６２を導通させ、平滑コンデン
サ６４に充電電流を流す。スイッチング素子３のオフ期
間において、補助巻線６１に誘起した電圧は、レベルシ
フト用ダイオード６３を導通させ、平滑コンデンサ６４
の充電電圧をレベルシフトする。このため、平滑コンデ
ンサ６４には、補助巻線６１に誘起する電圧の変動分が
充電される。

【００５７】補助巻線６１に誘起した電力で平滑コンデ
ンサ６４の充電電圧が所定値に維持できるようになる
と、電力制御素子７１が非導通となって、整流平滑回路
４から起動回路７を介して供給される電力が無くなり、
制御回路５の動作電源は、補助巻線６１に誘起した電力
で供給される。

【００５８】補助巻線６１は、その巻数を適切に選択す
ることで、制御回路５の動作電源に必要な電圧を容易に
得ることができ、電力損失も極めて少ない。

【００５９】これに対し、起動回路７は、略３８０Ｖの
直流電圧から電力制御素子７１や抵抗７２等を介して降
圧するため、電力損失が大きいが、定常状態において、
起動回路７を介して供給される電力が無くなるので、電
力損失が発生しない。

【００６０】次に、本発明の特徴である軽負荷時の動作
について説明する。

【００６１】スイッチング電源装置の負荷が軽くなっ
て、補助巻線６１に誘起する電力が減少すると、平滑コ
ンデンサ６４の充電電圧が所定値を下回る。すると、起
動回路７の電力制御素子７１にベース電流が流れ始め、
そのインピーダンスが低下する。このため、電力制御素
子７１を介して整流平滑回路４から平滑コンデンサ６４
の充電電圧が供給される。すなわち、起動回路７を介し
て整流平滑回路４から、制御回路５の動作電源が供給さ
れることとなる。

【００６２】本実施例のスイッチング電源装置は、起動
回路７が整流平滑回路４の出力端間に接続されている。
このため、制御回路５が力率改善回路１の負荷となり、
スイッチング電源装置にダミー負荷を設けたのと同じ状
態となる。従って、補助巻線６１に誘起する電力が再び
増大し平滑コンデンサ６４を充電するから、電力制御素
子７１のベース電流が減少し、そのインピーダンスが高
くなって、起動回路７を介して供給される電力が減少す
る。この結果、制御回路５の動作電源は、起動回路７を
介して供給される電力と補助巻線６１に誘起する電力と
で、スイッチング電源装置の負荷の状態に応じて分担し
合い供給される。

【００６３】この作用は、交流電源の異常や電圧変動に
より、入力整流電圧が整流平滑回路４の出力電圧を上回
る期間が発生し、補助巻線に誘起する電力が減少した場
合にも得ることができる。

【００６４】このように、本発明は、ダミー負荷を設け
ることなく、補助巻線６１に誘起する電力を増大させ、
電力損失を低減した力率改善回路を含むスイッチング電
源装置を提供することができる。

【００６５】また、起動回路７の負担を軽減させ、起動
回路７の電力損失を低減し、更に、起動回路７を構成す
る素子の過剰発熱を防止した力率改善回路を含むスイッ
チング電源装置を提供することができる。

【００６６】以上、好ましい実施例を参照して本発明を
詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるもので
はなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教
示に基づき、種々の変形例を想到できることは自明であ
る。

【００６７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば次の
ような効果を得ることができる。 （ａ）ダミー負荷を設けることなく、補助巻線に誘起す
る電力を増大させ、電力損失を低減した力率改善回路を
含むスイッチング電源装置を提供することができる。 （ｂ）起動回路の負担を軽減させ、起動回路の電力損失
を低減した力率改善回路を含むスイッチング電源装置を
提供することができる。 （ｃ）起動回路の負担を軽減させ、起動回路を構成する
素子の過剰発熱を防止した力率改善回路を含むスイッチ
ング電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例
を示す電気回路図である。

【符号の説明】

１ 力率改善回路 ２ チョークコイル ３ スイッチング素子 ４ 整流平滑回路 ５ 制御回路 ６ 補助電源回路 ６１ 補助巻線 ６２ 整流素子 ６４ 平滑コンデンサ ７ 起動回路 ７１ 電力制御素子 ８ 整流回路 ＡＣ 交流電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 力率改善回路を含むスイッチング電源装
   置であって、 前記力率改善回路は、チョークコイルと、スイッチング
   素子と、整流平滑回路と、制御回路と、補助電源回路
   と、起動回路とを含み、 前記チョークコイルは、交流電源を整流した電圧が供給
   され、 前記スイッチング素子は、前記チョークコイルを通して
   供給される整流電圧を前記交流電源の周波数より高い周
   波数でスイッチングし、昇圧して出力し、 前記整流平滑回路は、前記スイッチングされた出力を整
   流平滑し、前記整流電圧より高い直流電圧に変換して出
   力し、 前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング
   を制御し、 前記補助電源回路は、前記チョークコイルに磁気結合し
   た補助巻線と、整流素子と、平滑コンデンサとを含み、
   前記補助巻線に誘起した電圧を整流平滑して、前記制御
   回路に動作電源を供給し、 前記起動回路は、電力制御素子を含み、前記整流平滑回
   路に接続され、前記平滑コンデンサの電圧が所定値以下
   のとき、前記電力制御素子を介して前記平滑コンデンサ
   を所定値に充電するスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載されたスイッチング電源
   装置であって、 更に、入力整流回路と、ＤＣ−ＤＣコンバータとを含
   み、 前記入力整流回路は、前記チョークコイルの前段に接続
   され、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記整流平滑回路の後段
   に接続されるスイッチング電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１乃至２の何れかに記載されたス
   イッチング電源装置であって、 前記補助電源回路は、更に、直流カットコンデンサと、
   レベルシフトダイオードとを含み、 前記補助巻線は、その両端が、前記直流カットコンデン
   サと、前記整流素子と、前記平滑コンデンサとを介して
   接続され、更に、前記レベルシフトダイオードと、前記
   直流カットコンデンサとを介して接続されるスイッチン
   グ電源装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかに記載されたス
   イッチング電源装置であって、前記起動回路は、前記整
   流平滑回路の出力端間に接続されるスイッチング電源装
   置。