JP4294928B2 - 安定化電源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は安定化電源に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の重要な目的は、ライン周波数スイッチング回路を使用し、低スイッチング損失および熱保護を有する、高電力で部分的に安定化された電源を提供することである。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、電源は、第１の端子および第２の端子を有し、ＤＣ電荷を蓄積するためのコンデンサを含む。また、電源は、ＡＣライン電圧を有するＡＣライン電流のソースに接続するための第１および第２のライン入力端子と、第１および第２のライン入力端子に結合され、ＡＣライン電圧を減圧されたＡＣ電圧に変圧するための変圧器と、変圧器に結合され、立上り端部（エッジ）、立下り端部（エッジ）およびピークを持つ電圧波形を有する整流されたＡＣ電圧に減圧されたＡＣ電圧を整流するための整流器とを含む。電源は、また、公称ＤＣ出力電圧にコンデンサを充電するための、整流器とコンデンサとを結合する充電回路を含む。電源は、充電回路が立上り端部のある期間および立下り端部のある期間にコンデンサを充電させ、ピークにおいてはコンデンサを充電させないように構成、および配置される。
【０００４】
本発明の別の態様において、電源は、第１、第２および第３の出力端子と、ＡＣライン電圧を有するＡＣライン電流のソースに接続するための第１および第２のライン入力端子を含む。電源は、さらに第１および第２のライン入力端子に結合され、ＡＣライン電圧を減圧されたＡＣ電圧に変圧するための変圧器と、変圧器に結合され、減圧されたＡＣ電圧を整流されたＡＣ電圧に整流するための整流器と、第１、第２および第３の出力端子を第１、第２および第３の電位にそれぞれ充電し、それによって第１の電位と第２の電位との間の電位差を第１の電位と第３の電位との間の電位差より小さくするための充電回路を含む。充電回路は単一のスイッチを含む。
【０００５】
本発明のさらに他の態様において、電源は、ＤＣ電荷を蓄積するための、第１および第２の端子を有するコンデンサを含む。また、電源は、ＡＣライン電圧を有するＡＣライン電流のソースに接続するための第１および第２のライン入力端子と、第１および第２のライン入力端子に結合され、ＡＣライン電圧を減圧されたＡＣ電圧に変圧するための変圧器と、変圧器に結合され、立上り端部、立下り端部およびピークを持つ電圧波形を有する整流されたＡＣ電圧に減圧されたＡＣ電圧を整流するための整流器と含む。電源は、公称ＤＣ出力電圧にコンデンサを充電するための、整流器とコンデンサを結合する充電回路も含む。電源は充電回路が各整流されたＡＣサイクルの間にコンデンサを２回充電するように構成、および配置される。
【０００６】
他の特徴、目的および利点は、添付の図面を参照する以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【０００７】
【発明の実施の形態】
ここで図面、特に図１を参照すると、本発明による電源の論理配置のブロック図が示されている。構成要素を接続する線が、実線または点線で示されている。実線は電力を伝送するための要素間の相互接続を表す。点線は情報または制御を送信するための要素間の相互接続を表す。点線上の矢印は、情報または制御の方向を示す。解りやすくするために、電源または接地回路装置のための相互接続はこの図には示さず、図２に示されている。電源は１２０Ｖ、６０Ｈｚのライン電力等の外部ＡＣ電力ソースに接続するための電源入力端子１０、１１を含んでいる。電源入力端子１０、１１は変圧器１２の一次側巻線に接続される。変圧器１２の二次側巻線は整流器入力端子１６、１８を介して整流器１４に結合される。整流器の正の出力端子２０は、高電力側ライン２１によって、負荷コンデンサ２６の端子２４に結合される。負荷抵抗Ｒ_L３０は端子２４および２８でコンデンサ２６と並列に結合される。整流器の負の端子２２は、スイッチ回路３２を介してコンデンサ２６の端子２８および負荷抵抗Ｒ_L３０に結合される。スイッチ回路３２は、基準ブロック３４と、制御ブロック３６と、スイッチ３８とを含む。減圧回路４０の入力は、変圧器１２の中間電圧タップと負荷コンデンサ２６の端子２８とに結合される。基準ブロック３４は、高電力側ライン２１、低電力側ライン２３、負荷コンデンサ２６の端子２８および温度検知回路４４からの信号を受信する。基準ブロック３４は、スイッチ３８を制御する制御ブロック３６へ信号を送信する。
【０００８】
低電力側ライン上にスイッチを有する本発明による電源は、高電力側ライン上にスイッチを有する電源よりも、スイッチング損失（熱として放散）が小さいため、有利である。
【０００９】
動作中に、変圧器１２はＡＣライン電圧レベル（たとえば１２０Ｖ、６０Ｈｚ）から中間ＡＣ電圧レベル（１７Ｖ、６０Ｈｚ等）に入力電圧を変換する。整流器１４は、中間ＡＣ電圧を整流されたＡＣ電圧に整流し、次に負荷抵抗Ｒ_L３０で表される負荷間のＤＣ電圧を保持する充電コンデンサ２６で使用される。スイッチ回路３２は後述するようにコンデンサ２６の充電を制御する。
【００１０】
変圧器１２、整流器１４およびコンデンサ２６は従来の要素である。スイッチ３８は従来のｎ型ＭＯＳＦＥＴスイッチを使用することができる。負荷抵抗Ｒ_L３０で表される負荷は通常、音声信号処理回路および電力増幅器等のＤＣ電力を要する回路である。
【００１１】
ここで図２を参照すると、図１の電源を実施するための回路が示されている。図２において、同一参照番号は図１の対応する要素を指している。図２の点線のボックスは図１のブロックによって表される機能を実行する回路の部分を包含している。
【００１２】
ここで図３を参照すると、図１および２の電源の動作を示すための電圧と充電電流のプロットが示されている。曲線５０は電圧Ｖ_acのプロットである。Ｖ_acは整流器端子１６、１８への入力ライン間の電圧である。曲線５０の摂動は、電源が充電している時の負荷によるものである。曲線５１はＶ_iのプロットである。Ｖ_iは整流器の出力端子２０と２２間の電圧である。曲線５３はＶ_zのプロットである。Ｖ_zはノード５４とノード２２間の電圧である。曲線５７は、参考としての負荷無しで動作した場合の、Ｖ_acの整流された値の波形である。曲線５５はＶ_oのプロットである。Ｖ_oは負荷コンデンサ２６の端子２４と２８間の電圧である。曲線５５は負荷コンデンサ２６が充電されているときの上向きの勾配と、コンデンサ２６が負荷抵抗３０を介して放電するときの下向きの勾配とを有している。曲線４９はＩ_sのプロットである。Ｉ_sはコンデンサ２６が充電されている場合の充電電流を示す。曲線は平滑されており、スイッチングによる小さな摂動および電圧スパイクは示されていない。
【００１３】
負荷コンデンサはスイッチ３８がＯＮ位置で、整流器１４がＯＮ（すなわち、入力端子１６、１８間の電圧が整流器出力端子２０、２２間の電圧より小さく、電流が整流器１４に流れる場合）の場合、充電されている。
【００１４】
スイッチ３８の動作は、曲線５１および５３を参照することで理解できる。スイッチは、当初は時間ｔ₀においてＯＮである。時間ｔ₂においてＶ_iがＶ_tと等しい場合、スイッチ３８はＯＦＦになる。Ｖ_zが変圧器１２の特性と抵抗７０および７２の比とで決定されるＶ_zの量だけＶ_tより大きい場合、スイッチ３８は時間ｔ₃において、サイクルの立下り端部でＯＮになる。スイッチ３８は時間ｔ₀と本質的に等価である時間ｔ₅を通してＯＮのままである。スイッチ３８は次の半サイクル上の時間ｔ₁₂でＯＦＦになり、これは本質的に時間ｔ₂と同様の状況である。また、スイッチ３８は時間ｔ₁₃でＯＮになり、これは本質的に時間ｔ₁₄の状況と同様である。整流器１４は、Ｖ_iがＶ_oより大きくなる場合、時間ｔ₁でＯＮになる。整流器１４は、Ｖ_iがＶ_oより小さくなる場合、時間ｔ₄でＯＦＦになる。整流器１４は時間ｔ₅を通してＯＦＦのままであり、これは本質的に時間ｔ₀と同等である。整流器１４は時間ｔ₁₁で再びＯＮになり、これは本質的に時間ｔ₁の状況と同様である。整流器１４は時間ｔ₁₄でＯＦＦになり、これは本質的に時間ｔ₄の状況と同様である。
【００１５】
整流器１４およびスイッチ３８は両方とも、最初の半サイクルの立上り端部の１期間（間隔ｔ₁〜ｔ₂）および最初の半サイクルの立下り端部の１期間（ｔ₃〜ｔ₄）でＯＮになる。同様に整流器１４およびスイッチ３８は両方とも、二番目の半サイクルの立上りの１期間（ｔ₁₁〜ｔ₁₂）および二番目の半サイクルの立下りの１期間（ｔ₁₃〜ｔ₁₄）でＯＮになる。それによって、電源は半サイクルの立上りの１期間および半サイクルの立下りの１期間で充電される。電源は半サイクルのピーク６５を含む期間では充電されない。充電期間（ｔ₁〜ｔ₂）、（ｔ₃〜ｔ₄）、（ｔ₁₁〜ｔ₁₂）、（ｔ₁₃〜ｔ₁₄）の長さは、入力波形の形状（電力ラインがＡＣサイクルのピーク近くで電力を引き込む多数の装置によって負荷をかけられる場合、純粋の正弦波になり得ない。）、電源の負荷、変圧器１２の特性、および図２の２つの抵抗７０および７２の比を含む多数の要素によって決定される。電源はＶ_acおよび負荷のばらつきを含む広範な典型的な条件で、記載のように動作する。期間ｔ₅〜ｔ₁₅は、本発明による電源が、高いＡＣ電圧および小さい（軽い）負荷であっても、Ｖ₁で最大電圧を保持することを示している。
【００１６】
本発明による電源は、一般に機関規制（agency regulation）（ＥＭＣ標準ＥＮ６１０００等。この標準は力率補正のためのライン調整装置の必要性がより少ないか、または必要としない、本発明のような電源等のための特別なクラスを有する）を受けることが少ない。さらに本発明による電源は、高周波スイッチングを行わないので、多くのＥＭＩ標準（ＦＣＣおよびラインで生成される放射等）に容易に適合することができる。
【００１７】
さらに、ピークで充電しない電源は、ライン電圧が変化しても、Ｖ_acのピークがＶ_tより大きい限り、出力電圧が変化しない固定された最大値を有しているため、有利である。
【００１８】
半ＡＣラインサイクルの各々の間に２度（またはそれ以上）または完全（一）ＡＣラインサイクルの各々の間に４度（またはそれ以上）充電する電源は、半サイクルに１度または一サイクルで２度のみ充電する電源よりも、大きい負荷の条件の下で意図された出力電圧に近い電圧を維持する。立下り端部での充電は、立上り端部での充電よりもスイッチ熱の発生が少ない。よって、立下り端部での充電を含むことは、同じ負荷でのスイッチ熱全体をより小さくすることを意味する。
【００１９】
図２を再び参照すると、図１の減圧回路４０は、変圧器の中間電圧タップと、コンデンサ７６と、減圧端子４２と、コンデンサ２８を介してコンデンサ端子２８とに結合されるダイオード７４として実装される。端子４２の電圧は、抵抗Ｒ_L３０によって表される装置よりも低い電圧要件の電力装置に使用することができる。中間電圧タップが中央タップの場合、端子２４、４２および２８はそれぞれ＋Ｖ₀／２、接地および−Ｖ₀／２の電圧を有する端子として構成することができる。このような構成において、本発明による電源は、電力バイポーラ（二極性）装置に使用することができる。
【００２０】
本発明による電源は、減圧された電圧またはバイポーラ電圧を取り出す２つの機能的に類似の回路を使用する電源よりも有利である。それは本発明による電源は負荷コンデンサ、スイッチおよびスイッチ制御回路等のより少数の構成要素を必要とし、回路コストを減少させるからである。本発明による電源はより安価な構成要素を必要とし、調整器（レギュレータ）を使用して減圧した電圧を提供する電源より、高電力レベルで動作することができる。
【００２１】
さらに図２を参照すると、図１の温度検知回路４４は変圧器１２に組み込まれ、基準回路端子ノード５４および抵抗６０によって低電力側ライン２３に結合される負の温度係数（ＮＴＣ）抵抗４６として実施される。このＮＴＣ抵抗および追加のサーミスタは回路内の他の場所に配置して、他の臨界的高温の構成要素を保護することができる。
【００２２】
動作中に、変圧器１２（または他の保護される構成要素）が過熱する場合、ＮＴＣ抵抗値が値を変え、Ｖ_tおよびその結果としてＶ₀を低下させる。大部分の抵抗性負荷、または増幅負荷では、Ｖ₀の低下は出力に供給される電流または電力の低下を招く結果となり、それによって変圧器（または他の保護する構成要素）のストレス（負担）を低下させる。
【００２３】
温度検知回路４４を含む電源は、電源が加熱状態の間、致命的な故障をしないで、（減圧された出力で）動作し続けるために、電力ヒューズ抵抗を利用する電源よりも有利である。過熱条件がもはや存在しない場合には、電源は全電力での通常動作を再開する。大部分の用途、特に高電力の用途において、変圧器を有する電源は電圧低減要素としての電力抵抗を有する電源よりも効率が良い。
【００２４】
図１および図２の実施形態はブリッジ整流器１４を利用しているが、本発明はダイオード整流器またはその等価物等の他の形式の整流器を利用する電源内でも実施することができる。また、回路は使用される整流器に適応することができる。たとえば、単一のダイオード整流器は半波整流されたＡＣを提供するために使用することができる。各半波の間に立上り期間および立下り期間で充電し、立上り充電と立下り充電の間の波形部分を含む他の部分では充電しないようにする。
【００２５】
当業者は、本発明の概念から逸脱せずに、本明細書で開示された特定の装置および技術に多くの変更、またはそれから発展することができることは明らかである。したがって、本発明は、本明細書で開示された各々およびすべての新規の特徴とそれら特徴の新規の組み合わせを包含するように解釈され、特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電源のブロック図である。
【図２】図２の構成を示す。
【図２Ａ】図１による電源の概略回路図である。
【図２Ｂ】図１による電源の概略回路図である。
【図３】図１および２の電源の動作を示す、波形および他の電気パラメータを示す。

Claims (7)

1. 第１、第２および第３の出力端子（２４，４２，２８）と、
   ＡＣライン電流のソースに接続する第１および第２のライン入力端子（１０，１１）と、
   前記第１および第２のライン入力端子に結合された変圧器（１２）と、
   前記変圧器に結合された整流器（１４）と、
   前記第１の出力端子に結合された第１の端子（２４）および前記第３の出力端子に結合された第２の端子（２８）を有するコンデンサ（２６）と、
   前記整流器及び前記コンデンサを結合し、前記第１、第２および第３の出力端子（２４，４２，２８）をそれぞれ第１、第２および第３の電位に充電する充電回路であり、該第１の電位と該第２の電位との間の電位差は前記第１の電位と前記第３の電位との間の電位差より小さい、充電回路と、
   前記整流器（１４）を前記第１のコンデンサ端子に結合する高電力側ライン（２１）と、
   を備える電源において、
   前記整流器（１４）を前記第２のコンデンサ端子（２８）に結合する単一のスイッチ（３８）を備える低電力側ライン（２３）を備えることを特徴とする電源。
2. 請求項１記載の電源において、該第２出力端子（４２）は、前記第１のコンデンサ端子（２４）の電位よりも低く、前記第２のコンデンサ端子（２８）の電位よりも高い電位を有する、電源。
3. 請求項２記載の電源において、前記第１のコンデンサ端子（２４）および前記第２のコンデンサ端子（２８）は第１の電位差を有し、前記第２のコンデンサ端子および前記出力端子（４２）は第２の電位差を有し、該第２の電位差は前記第１の電位差より小さい、電源。
4. 請求項３記載の電源において、前記第２の電位差は前記第１の電位差の半分である、電源。
5. 請求項１記載の電源において、前記電源は過熱保護回路（４４）をさらに備え、該過熱保護回路は、前記電源に前記コンデンサ（２６）を前記公称ＤＣ電圧より低い非ゼロ電圧に充電させることによって、過熱条件に応答するように構成および配置される、電源。
6. 請求項５記載の電源において、前記過熱保護回路（４４）は前記変圧器（１２）と熱的接触をする負温度係数抵抗を備える電源。
7. 請求項１記載の電源において、前記第１の電位と前記第２の電位との間の前記電位差は、前記第１の電位と前記第３の電位との間の前記電位差の半分である、電源。

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