(57)【要約】【課題】交流入力電流が正弦波になるようにソフトスイッチングする一次側に平滑コンデンサを有するスイッチング電源を提供する。【解決手段】交流電源の整流回路ＤＢの正極と負極の間にトランスＴ１の第２の１次巻線Ｎ２と第１の１次巻線Ｎ１とスイッチング素子Ｍ１を直列に接続し、トランスＴ１の第２及び第１の１次巻線Ｎ２とＮ１の接続箇所と整流回路ＤＢの負極の間に1次平滑コンデンサＣ１を接続し、トランスＴ１の２次側がフォワード型で出力するように、２次巻線Ｎ３と２次平滑コンデンサＣ２を接続する回路構成としている。【選択図】図１
2006050822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の整流回路の正極と負極の間にトランスの第２の１次巻線と第１の１次巻線とスイッチング素子を直列に接続し、第２の１次巻線と第１の１次巻線の接続箇所と整流回路の負極の間に１次平滑コンデンサを接続し、スイッチング素子のスイッチングにより１次平滑コンデンサを充放電させて、交流電源の低電圧期間においても整流回路から電流が流れ込み、交流入力電流をほぼ正弦波にでき、スイッチング素子のオン期間、オフ期間の両期間において、トランスが２次側へ電力を供給する高力率スイッチング電源。
【請求項２】
交流電源に接続される整流回路の正極とトランスの第２の１次巻線の巻き始めを接続し、第２の１次巻線の巻き終わりと第１の１次巻線の巻き始めを接続し、第１の１次巻線の巻き終わりと整流回路の負極の間にスイッチング素子を接続し、第２の１次巻線と第１の１次巻線の接続箇所と整流回路の負極の間に１次平滑コンデンサを接続し、トランスの２次巻線の巻き始めに第１ダイオードのアノードを、巻き終わりに第２ダイオードのアノードを接続し、第１ダイオードと第２ダイオードのカソードを平滑コイルの一端に接続し、平滑コイルの他端を２次平滑コンデンサのプラス側に、２次巻線の巻き終わりを２次平滑コンデンサのマイナス側に接続し、２次平滑コンデンサのプラス側を２次側出力の正極とし、マイナス側を２次側出力の負極とする請求項１記載の高力率スイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源を入力とし、入力電流をほぼ正弦波にできる高力率スイッチング電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、コンデンサインプット形の高力率スイッチング電源として、図４の電源が知られている。この従来例は、交流電源に整流回路ＤＢを接続し、この整流回路ＤＢの正極と負極の間に第１及び第２のトランスＴ11、Ｔ12の第１及び第２の１次巻線Ｎ11、Ｎ12とスイッチング素子Ｑを直列に接続する。また、この整流回路ＤＢの負極から正極の間に第２及び第１のダイオードＤ12、Ｄ11を直列に接続する。第１及び第２のダイオードＤ11、Ｄ12の接続中点と第１及び第２の１次巻線Ｎ11、Ｎ12の中点との間に１次平滑コンデンサＣ11を接続する。第１及び第２のダイオードＤ11、Ｄ12の接続中点とスイッチング素子Ｑの間に第３のダイオードＤ13を接続する。そして、第１及び第２のトランスＴ11、Ｔ12の第１及び第２の２次巻線Ｎ21、Ｎ22にダイオードＤ21、Ｄ22を介して出力２次平滑コンデンサＣ21を接続したものである。
【０００３】
１次側の1次平滑コンデンサＣ11は、逆方向のダイオードＤ12を介して整流回路ＤＢの負極に接続しているために、コンデンサＣ11に十分な充電ができないので、１次側の平滑性を機能させるためには、大きい容量のコンデンサが必要である。しかし、コンデンサＣ11の容量が大き過ぎると、スイッチング時、第１のトランスＴ11と第２のトランスＴ12が共振しないため、十分な容量をもたせることはできない。そのため、交流電源の瞬断に対しては、２次側に大きい容量の平滑コンデンサが必要である。また、１次平滑コンデンサＣ11は、逆方向のダイオードＤ12と接続しているので、十分な充放電ができないため、第１のトランスＴ11と第２のトランスＴ12は、大きく共振しない。そのために、整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢとコンデンサＣ11の電圧ＶＣ11の関係が、正極電圧ＶＤＢ＜コンデンサ電圧ＶＣ11の時、整流回路ＤＢから電流が流れ込まないために、力率が下がる等の問題がある。また、交流電圧との関係から、コンデンサＣ11の充電電圧を高くできないので、一次側に十分な平滑性を持たせることができない。
【特許文献１】特開平９−９３９４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
解決しようとする問題点は、正極電圧ＶＤＢ＜コンデンサ電圧ＶＣ11の時、整流回路ＤＢから電流が流れ込まない、そして、１次側に大きい容量の平滑コンデンサを接続できず、十分な平滑性を持たせることができない点である。
【０００５】
本発明は、トランスＴ１の一次側の第１の１次巻線Ｎ１と第２の１次巻線Ｎ２の接続箇所と整流回路ＤＢの負極の間に１次平滑コンデンサＣ１を接続して、１次平滑コンデンサＣ１を十分に充放電させ、第１及び第２の１次巻線Ｎ１とＮ２を大きく共振させることにより、スイッチングのオン時にゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）し、交流電圧の低い期間においても、交流電流を引き込み、交流入力電流が力率１に近い正弦波になることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明のスイッチング電源は、交流電源の低電圧期間においても整流回路から電流が流れ込み、また、スイッチング素子のオン期間とオフ期間の両期間において、トランスが２次側へ電力を供給するため、高効率で高力率のスイッチングを行なえる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、交流電源の整流回路ＤＢの正極と負極の間にトランスＴ１の第２の１次巻線Ｎ２、第１の１次巻線Ｎ１と、スイッチング素子Ｍ１を直列に接続し、第１及び第２の１次巻線Ｎ２とＮ１の接続箇所と整流回路ＤＢの負極の間に、１次平滑コンデンサＣ１を接続し、１次平滑コンデンサＣ１を十分に充放電させて、１次巻線Ｎ２とＮ１を大きく共振させることにより、スイッチングのオン時にゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）、交流電源の低電圧期間においても整流回路ＤＢから電流ＩＤＢが流れ込み、交流入力電流をほぼ正弦波にできる高力率スイッチング電源を実現した。
【実施例１】
【０００８】
図１により本発明の第１の実施例を説明する。交流入力電圧検出、直流出力電圧検出、スイッチング制御等の回路は示していない。トランスＴ１の巻線は、図に示すドットを巻き始めとする。図１において、Ｖacは交流電源、ＬＰＦはローパスフィルタ、ＤＢは整流回路、Ｔ１はトランス、Ｍ１はスイッチング素子、Ｃ１は１次側の平滑コンデンサ、Ｃ２は２次側の平滑コンデンサ、Ｌ１は２次側の平滑コイルである。
【０００９】
交流電源に接続される整流回路ＤＢと、整流回路ＤＢの正極とトランスＴ１の第２の１次巻線Ｎ２の巻き始めを接続し、第２の１次巻線Ｎ２の巻き終わりと第１の１次巻線Ｎ１の巻き始めを接続し、第１の１次巻線Ｎ１の巻き終わりと整流回路ＤＢの負極の間にスイッチング素子Ｍ１を接続し、第１及び第２の１次巻線Ｎ２とＮ１の接続箇所と整流回路ＤＢの負極の間に１次平滑コンデンサＣ１を接続する。２次側の２次巻線Ｎ３の巻き始めに第１のダイオードＤ１のアノードを、巻き終わりに第２のダイオードＤ２のアノードを接続し、第１及び第２のダイオードＤ１とＤ２のカソードを平滑コイルＬ１の一端に接続し、平滑コイルＬ１の他端を２次側の２次平滑コンデンサＣ２のプラス側に、２次巻線Ｎ３の巻き終わりを２次平滑コンデンサＣ２のマイナス側に接続する。２次側の２次平滑コンデンサＣ２のプラス側を２次側出力の正極に、マイナス側を２次側出力の負極にする。スイッチング素子Ｍ１がオンの期間、また、オフの期間の両期間においてトランスＴ１が２次側に電力を供給するフォワード型に接続している。図２に、図１の回路の各部の電圧、電流特性を時間の経過（区間Ｔ０，・・，Ｔ４）にそって示す。図２の各波形は、理解を助けるための代表例として、交流電源の中電圧期間の波形の特徴を示したものである。（ａ）は、整流回路ＤＢの正極の電流ＩＤＢである。（ｂ）は、スイッチング素子Ｍ１の電流ＩＭ１である。（ｃ）は、巻線Ｎ３より第１のダイオードＤ１を通って２次側に出力される電流ＩＤ１である。（ｄ）は、巻線Ｎ３より第２のダイオードＤ２を通って２次側に出力される電流ＩＤ２である。（ｅ）は、スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１である。（ｆ）は、整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢである。
【００１０】
スイッチング素子Ｍ１がオンになった時、スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１は、１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧から０Ｖに下がり、整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢは、第１及び第２の１次巻線Ｎ１とＮ２の共振により１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧から共振電圧の高い方にまで上がる。１次平滑コンデンサＣ１の放電電流ＩＣ１が第１の１次巻線Ｎ１を流れるので、スイッチング素子Ｍ１を流れる電流ＩＭ１は緩やかに立ち上がるゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）になる。２次側の巻線Ｎ３より第１のダイオードＤ１を通って２次側に出力される電流ＩＤ１も緩やかに立ち上がって流れる。（区間Ｔ０−Ｔ１）。
【００１１】
次に、スイッチング素子Ｍ１がオフになった時、スイッチング素子Ｍ１を流れる電流ＩＭ１は止まり、２次側の巻線Ｎ３の第１のダイオードＤ１を通って２次側に出力される電流ＩＤ１も止まる。スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１は、０Ｖから１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧に上がり、整流回路ＤBの正極の電流ＩＤＢが流れ始めるまでの僅かの時間、その平滑電圧を維持し、正極の電流ＩＤＢが流れ始めると共振電圧の高い方に上がり始める。整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢも、共振電圧の高い方から１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧にまで下がり、電流ＩＤＢが流れ始めるまでの僅かの時間、その平滑電圧を維持し、正極の電流ＩＤＢが流れ始めると共振電圧の低い方に下がり始める。（区間Ｔ１−Ｔ２）。整流回路ＤＢの正極の電流ＩＤＢが流れ終わり、２次側の巻線Ｎ３より第２のダイオードＤ２を通って２次側に出力される電流ＩＤ２も流れ終わると、スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１は、共振電圧の高い方の電圧から１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧にまで下がり、整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢも、共振電圧の低い方の電圧から１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧にまで上がる。（区間Ｔ２−Ｔ３）。スイッチング素子Ｍ１の電流ＩＭ１と整流回路ＤＢの正極の電流ＩＤＢと２次側に出力される第１及び第２のダイオード電流ＩＤ１とＩＤ２が止まり、スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１と整流回路ＤＢの正極の電圧ＶＤＢが１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧で止まる期間である。（区間Ｔ３−Ｔ４）。
【００１２】
以上説明したように、本発明の実施例においては、スイッチング素子Ｍ１は、オン時、ゼロ電流スイッチングし、オフ時、スイッチング素子Ｍ１の電圧ＶＭ１は、０Ｖから１次平滑コンデンサＣ１の平滑電圧にまで上がって、電流ＩＭ１が止まった後に、共振電圧の高い電圧に上がるために、オフ時のスイッチング損失は小さいので、変換効率を９０％以上に上げることができる。また、トランスＴ１の第１及び第２の１次巻線Ｎ１とＮ２の共振により、交流電圧がゼロ点を通過する電圧の低い期間においても、整流回路ＤＢの電流ＩＤＢは流れ、図３に示すように、正弦波に近い交流入力電流を流すことができる。
【００１３】
直流出力電圧の調整は、直流出力電圧を検出し基準電圧と比較して、直流出力電圧が一定になるように、スイッチング素子Ｍ１のオン時間一定で、オフ時間を変えるデューティ制御、または、オン時間、オフ時間のデューティ比と周波数を共に変える制御により、行うことができる。
【００１４】
さらに、交流入力電圧を検出して、交流の低電圧期間は、スイッチング素子Ｍ１のオン・オフ時間比一定でスイッチング１周期の時間を短くする周波数制御を行う、あるいは、オン時間の割合を大きくするようにデューティ制御を行うとともに、スイッチング１周期の時間を短くする周波数制御を行なえば、交流入力電流の引き込みを多くできる。一方、交流の高電圧期間は、オフ時間の割合を大きくするようにデューティ制御を行うとともに、スイッチング１周期の時間を長くする周波数制御を行なえば、交流入力電流の大きな流れ込みを抑えることができる。これらの制御により、交流入力電流を力率が１に近い正弦波にすることができる。さらに、交流入力電圧検出による制御に、直流出力電圧検出による制御を加えれば、直流出力電圧を一定にすることがでる。
【産業上の利用可能性】
【００１５】
スイッチング損失とスイッチングノイズが少ない、ソフトスイッチングを行い、そして、ほぼ正弦波の交流入力電流が流れるので、交流側へ出る高調波が非常に少ない、高効率・高力率スイッチング電源として、産業界の広範囲の電源に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】スイッチング電源の回路図である。（実施例１）
【図２】スイッチング電源の電圧、電流特性の波形図である。
【図３】スイッチング電源の交流入力電流の波形図である。
【図４】スイッチング電源の回路図である。（従来例）
【符号の説明】
【００１７】
Ｃ１，Ｃ２・・・平滑コンデンサ
ＤＢ   ・・・整流回路
Ｄ１，Ｄ２・・・ダイオード
Ｌ１・・・チョークコイル
Ｍ１・・・スイッチング素子
Ｔ１・・・トランス
【図１】
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【図２】
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【図３】
2006050822.tif 000005
【図４】
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