(57)【要約】    【課題】  消費電力が５０Ｗ以下の電子機器で使用可能で、高い力率を有するＡＣ／ＤＣコンバータを提供する。    【解決手段】  電子機器に直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータであって、交流電源１から供給される交流電力を電圧変換トランス２の１次側に入力し、電圧変換トランス２の２次側からの出力を整流回路３に入力し、整流回路３からの直流出力を力率改善回路１０に入力する。【選択図】      図１
2006054934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器に直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータであって、
交流電源から供給される交流電力を電圧変換トランスの１次側に入力し、
前記電圧変換トランスの２次側からの出力を整流回路に入力し、
前記整流回路からの出力を力率改善回路に入力することを特徴とするＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記電圧変換トランスは降圧トランスであることを特徴とする請求項１に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
直流出力電力を５０Ｗ以下としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記力率改善回路は、スイッチングの動作をするトランジスタと、前記スイッチングを制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記電圧変換トランスの２次側に、前記交流電源の変動を検出するための他の整流回路を設けることを特徴とする請求項４に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記他の整流回路からの出力電圧の監視を行う入力電圧監視部を備え、前記出力電圧の監視結果に基づき、前記トランジスタをＯＮあるいはＯＦＦする信号を前記入力電圧監視部から前記制御部へ送信することを特徴とする請求項５に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記他の整流回路から出力される電圧をレギュレータに入力し、前記レギュレータからの出力を前記制御部及び前記入力電圧監視部へ直流電源として供給することを特徴とする請求項６に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記整流回路及び前記力率改善回路を電子機器の内部に設置し、前記電圧変換トランスを前記電子機器の外部に設置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項９】
前記電圧変換トランスと前記整流回路及び前記力率改善回路を前記電子機器の内部に設置することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のＡＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１０】
直流電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータを備えた電子機器であって、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、交流電源から供給される交流電力を電圧変換トランスの１次側に入力し、
前記電圧変換トランスの２次側からの出力を整流回路に入力し、
前記整流回路からの出力を力率改善回路に入力することを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
前記電圧変換トランスは降圧トランスであり、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの直流出力電力を５０Ｗ以下としたことを特徴とする請求項１０に記載の電子機器。
【請求項１２】
前記力率改善回路は、スイッチングの動作をするトランジスタと、前記スイッチングを制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載の電子機器。
【請求項１３】
前記電圧変換トランスの２次側に、前記交流電源電圧の変動を検出するための他の整流回路を設けることを特徴とする請求項１２に記載の電子機器。
【請求項１４】
前記他の整流回路からの出力電圧の監視を行う入力電圧監視部を備え、前記出力電圧の監視結果に基づき、前記トランジスタをＯＮあるいはＯＦＦする信号を前記入力電圧監視部から前記制御部へ送信することを特徴とする請求項１３に記載の電子機器。
【請求項１５】
前記他の整流回路から出力される電圧をレギュレータに入力し、前記レギュレータからの出力を前記制御部及び前記入力電圧監視部へ直流電源として供給することを特徴とする請求項１４に記載の電子機器。
【請求項１６】
前記ＡＣ／ＤＣコンバータを構成する前記整流回路及び前記力率改善回路を内部に設置し、前記電圧変換トランスを外部に設置することを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の電子機器。
【請求項１７】
前記ＡＣ／ＤＣコンバータを構成する前記電圧変換トランスと前記整流回路及び前記力率改善回路を内部に設置することを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＡＣ／ＤＣコンバータに関し、特に、電圧変換トランスの力率が高く、小型、軽量かつ低価格のＡＣ／ＤＣコンバータ及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、商用電源等の交流電圧を入力源とする電子機器では、その電源であるＡＣ／ＤＣコンバータは図８に示す回路構成となっている。この構成では、電圧変換トランス２の１次側と２次側の巻数比を調節することにより、交流電源１を所望の交流電圧に変換する。次に、２次側出力をダイオードを用いた整流回路３で全波又は半波整流した後、平滑用コンデンサ２３で直流電圧に変換し、この電圧を直接電子機器へ供給するか、あるいは非絶縁型のコンバータ回路２５又はシリーズレギュレータ(図示しない)を通して安定化して機器へ供給する。
【０００３】
整流回路３と平滑用のコンデンサ２３の部分はコンデンサ入力型整流回路２４に対応する。また、図８に示す回路構成はコンデンサ入力型整流方式と呼ばれる。
【０００４】
コンデンサ入力型整流方式の場合、電圧変換トランスに流れる電流は、図９に示すような高調波電流となるため力率は５０％程度に低下する。このため、変換トランスの動作効率が悪く、小型化、軽量化の妨げとなっていた。
【０００５】
また、別の問題として次のような問題がある。
【０００６】
近年、交流（ＡＣ）電圧を入力源とする５０Ｗ以上の電子機器に対する高調波規制が強まり、様々な力率改善回路（ＰＦＣ回路）が提案されてきた。ＰＦＣ回路は、回路から発生する高調波雑音を低減するための回路で、大電力を扱うことからＡＣ入力を数百Ｖに昇圧する方式が主流となっている。しかし、５０Ｗ以下の消費電力の小さい電子機器に対しては、高調波規制外ということもあって、ＰＦＣ回路技術の提案は、ほとんどなされていなかった。
【０００７】
このため、消費電力の小さい電子機器に対しては、力率の悪いコンデンサ入力型整流方式による整流回路が主流であり、消費電力が小さいにもかかわらずＡＣ／ＤＣ電源の小型化はなされていなかった。このような状況は、特に、モバイル機器等のＡＣアダプターを必要とする機器の小型化を妨げていた。
【０００８】
これらの問題を解決する方法として、力率改善回路（ＰＦＣ回路）とコンバータを組み合わせる方法が提案されている。また、特開２００１−７８４５７号公報（特許文献１）には、ＰＦＣ回路を用いた例が記載されている。
【０００９】
図１０に、ＰＦＣ回路と絶縁型コンバータ回路を組み合わせる方法の回路構成を示す。この方法では、初めに交流電源１をダイオードによる整流回路３で全波整流する。整流回路３の後段にはＰＦＣ回路１０を接続し、昇圧した直流電圧を絶縁型コンバータ２６に入力し、絶縁型コンバータ回路２６から所望の直流電圧を供給する。
【００１０】
図１０の回路構成では、ＰＦＣ回路１０及び絶縁型コンバータ回路２６のスイッチング周波数を高くすることにより、これらの回路でのコンバータ部の小型化が可能となる。ＰＦＣ回路１０と、絶縁型コンバータ回路２６にはそれぞれコンバータ部が含まれるため、コンバータ回路は２段の構成になる。
【００１１】
また、特許文献１に開示される方法は、ＰＦＣ回路に関するものであり、コンデンサ入力型整流方式の回路と組み合わせると、ＡＣ入力の全波整流電圧とコンデンサ充電時電圧とのパルス幅変調によって、直流出力電圧の安定化と異常電圧の抑制が実現され、また力率が改善されるというものである。
【００１２】
なお、全波整流回路出力の一端には、昇圧トランスが接続され、この昇圧トランスの出力と接地端の間にスイッチング素子が接続されている。また、昇圧トランスとスイッチング素子とで昇圧回路が構成されている。
【特許文献１】特開平２００１−７８４５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した従来の技術は、何れも以下に述べるような問題点があった。
【００１４】
図１０に示した、ＰＦＣ回路と絶縁型コンバータを組み合わせる方法では、ＡＣ入力を整流回路で整流した後、ＰＦＣ回路に入力し、昇圧した直流電圧を絶縁型のコンバータ回路の入力電圧として機器に所望の直流電圧を供給するものである。
【００１５】
この方法の場合、コンバータ回路は２段の構成であり、電源全体の変換効率は各コンバータの変換効率の乗算となるため、全体の変換効率は低下するという問題がある。
【００１６】
また、ＰＦＣ回路では、入力電圧を交流入力電圧以上の直流電圧に昇圧する。この為、その後段の絶縁型コンバータは高電圧をスイッチングすることになり、高価な高耐圧部品の使用が必要となるため、コストが割高となる。また、コンバータが２段となるので回路が複雑化し、部品点数が増大しコストが割高となるという問題がある。
【００１７】
また、特許文献１の方法では、ＰＦＣ回路をコンデンサ入力型整流方式の回路と組み合わせると、直流出力電圧の安定化と異常電圧の抑制が実現され、また力率が改善されるというものである。
【００１８】
しかしながら、特許文献１に開示される方法は、昇圧回路を備えた構成となっており、出力電圧は入力電圧よりも高くなる。このため、上述したＰＦＣ回路と絶縁型のコンバータ回路を組み合わせる方法と同様に、昇圧回路の後段の回路は高電圧をスイッチングすることになり、高価な高耐圧部品の使用が必要となり、価格が割高となる。
【００１９】
また、特許文献１の方法では、昇圧回路を備えた構成となっており、出力電圧を入力電圧よりも低くして使用することはできない。このため、特許文献１の方法を消費電力が５０Ｗ以下の電子機器に対して適用することは難しい。また、この方法自体が電力の大きい機器での使用を目的としたものであって、消費電力の小さい電子機器での使用を目的としたものではない。
【００２０】
本発明の第１の目的は、上記従来技術の欠点を解決し、消費電力が５０Ｗ以下の電子機器で使用可能で、高い力率を有するＡＣ／ＤＣコンバータ及び電子機器を提供することにある。
【００２１】
本発明の第２の目的は、小型で、かつ低価格のＡＣ／ＤＣコンバータ及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するための本発明は、電子機器に電力を供給するＡＣ／ＤＣコンバータであって、交流電源から供給される交流電力を電圧変換トランスの１次側に入力し、前記電圧変換トランスの２次側からの出力を整流回路に入力し、前記整流回路からの直流出力を力率改善回路に入力することを特徴とする。
【００２３】
本発明によるＡＣ／ＤＣコンバータは、低消費電力機器の電源でＰＦＣ回路による力率改善効果を実現するため、最初に交流電源を電圧変換トランスで降圧した後、整流を行い、その後ＰＦＣ回路で力率改善を行っている。
【００２４】
電圧変換トランスでは、交流電力を所望の電圧に降圧する。
【００２５】
降圧された交流電圧は、整流により直流の脈流電圧となる。
【００２６】
ＰＦＣ回路では、直流の脈流電圧にスイッチングを行い、三角波とした後、そのピーク値を正弦波状に制御する。これにより、電圧変換トランスに流れる電流は、正弦波状に制御され、力率が改善される。
【００２７】
交流電力を電圧変換トランスで降圧した後、整流、力率改善を行っているため、整流回路及びＰＦＣ回路を、低耐圧の部品で安価に構成することが可能となる。
【００２８】
また、ＰＦＣ回路により電圧変換トランスに流れる電流を正弦波状とし、力率の大幅な改善を行っている。力率改善により、電圧変換トランスは小型化、軽量化が可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のＡＣ／ＤＣコンバータ及び電子機器によれば、以下の効果が達成される。
【００３０】
第１に、電圧変換トランスにより降圧した交流電力を整流回路に入力し、また低電圧の直流電力の力率向上をＰＦＣ回路により行うため、消費電力が５０Ｗ以下の電子機器で使用することが可能で、かつ高い力率を実現することが可能となる。
【００３１】
第２に、低電圧で整流を行うために低価格の低耐圧部品の使用が可能となり、またＰＦＣ回路により高い力率で電圧変換トランスを動作できるため、寸法の小型化、軽量化かつ低価格化を実現することが可能となる。
【００３２】
第３に、交流電源の電圧を監視するための監視回路を低いコストで追加することができる。また、その監視する電圧を整流回路で提供することにより、監視回路及びＰＦＣ回路への電源供給を、高い変換効率で実現することができる。
【実施例１】
【００３３】
以下、本発明の好適な実施例について図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
図１は、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【００３５】
図１を参照すると、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータは、交流電源１に接続された電圧変換トランス２と、整流回路３と、力率改善回路（ＰＦＣ回路）１０による構成となっている。
【００３６】
電圧変換トランス２は、交流電源１の電圧を所望の降圧した交流電圧に変換することができる。
【００３７】
また、整流回路３は、降圧された交流電圧を全波整流することができる。
【００３８】
ＰＦＣ回路１０は、コンデンサ４と、インダクタ５と、制御部６と、トランジスタ７と、ダイオード８と、コンデンサ９から構成される。
【００３９】
制御部６は、直流電源（Ｖcc）２７に接続され、トランジスタ７のスイッチングを行う。Ｖcc２７の供給源については、図示していない。
【００４０】
ＰＦＣ回路１０は、整流回路３により全波整流された脈流電圧を、スイッチングすることにより機器に必要な直流電圧を生成する。その結果、電圧変換トランス２に流れる電流は、２次側に純抵抗を接続した場合と同様な正弦波状の電流となり、力率を飛躍的に向上することができる。
【００４１】
次に、本実施例による動作について図を用いて詳細に説明する。
【００４２】
図１を参照すると、交流電源１を電圧変換トランス２で所望の交流電圧に降圧した後、整流回路３で整流し、脈流電圧とする。この脈流電圧をＰＦＣ回路１０でスイッチングする。トランジスタ７によるスイッチングが行われると、ＰＦＣ回路１０のインダクタ５に流れる電流は三角波の繰返し電流となる。
【００４３】
本実施例におけるＰＦＣ回路１０は、インダクタ電流が不連続モードによる回路方式である。ＰＦＣ回路には、この他にも様々な回路方式があるが、他のＰＦＣ回路方式を用いても本実施例と同様の効果が得られる。
【００４４】
図２は、本実施例によるインダクタ５に流れる電流の波形を示す図である。
【００４５】
図２を参照すると、インダクタ５に流れる電流は三角波の繰返し電流であることがわかる。
【００４６】
図３は、本実施例による整流回路３に流れる電流の波形を示す図である。
【００４７】
コンデンサ４で、スイッチングに伴うリップル電流を取り除くことにより、整流回路３に流れる電流を図３に示すように正弦波状とすることができる。
【００４８】
図４は、電圧変換トランス２に流れる電流及び電圧の波形を示す図である。
【００４９】
図４を参照すると、電圧変換トランス２に流れる電流及び電圧の時間変化は、共に正弦波状波形となり、１００％に近い力率が得られる。
【００５０】
ＰＦＣ回路１０の出力は、コンデンサ９により平滑化され直流出力となり、機器へ供給される。
【００５１】
次に、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータを用いた機器構成について説明する。
【００５２】
図５は、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータを用いた機器構成例を示す図である。
【００５３】
図５を参照すると、本実施例による電子機器２２内の電源部１９に整流回路２０とＰＦＣ回路２１が内蔵され、電圧変換トランス１８は電子機器２２外に設置された構成となっている。
【００５４】
図では、電源プラグ１７と電圧変換トランス１８は分離されているが、本実施例による力率向上により電圧変換トランス１８を小型化かつ軽量化できるため、電圧変換トランス１８を電源プラグ１７と一体化しても良い。
【００５５】
図６は、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータを用いた別の機器構成例を示す図である。
【００５６】
図６を参照すると、電子機器２２内の電源部１９に整流回路２０とＰＦＣ回路２１と電圧変換トランス１８が内蔵されている。
【００５７】
図５に説明した機器構成例では、電圧変換トランス１８は電子機器２２外に設置されていたが、図６の機器構成例では、電圧変換トランス１８も電子機器２２内の電源部１９に設置されている。
【００５８】
本実施例によれば、電圧変換トランス１８を力率向上により小型化できるため、電子機器２２内の設置スペースを小さくすることができる。
【００５９】
なお、上記実施例では、ＰＦＣ回路２１からの直流出力を単出力の構成としているが、本発明の構成により得られた直流出力の後段にＤＣ／ＤＣコンバータ等を用いて、複数の機器に所望の直流電圧を生成し、複数出力の構成とすることもできる。
【００６０】
以上述べたように、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータは、交流電源１から供給される交流電力を電圧変換トランス２の１次側に入力し、電圧変換トランス２の２次側からの出力を整流回路３に入力し、整流回路３からの直流出力を力率改善回路に入力することを特徴とする。さらに、電圧変換トランス２が降圧トランスの場合、また直流出力が５０Ｗ以内の場合に良好な動作を示す。
【００６１】
以上説明した実施例によれば、電圧変換トランス２により降圧した低電圧の交流電力を整流回路３に入力し、また低電圧の直流電力の力率向上をＰＦＣ回路１０により行うため、消費電力が５０Ｗ以下の電子機器で使用することが可能で、かつ高い力率を有するＡＣ／ＤＣコンバータを提供することが可能となる。
【実施例２】
【００６２】
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
【００６３】
図７は、本実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【００６４】
図７を参照すると、その基本的構成は第１の実施例の場合と同じであるが、整流回路１３、シリーズレギュレータ１５及び入力電圧監視部１６を追加している。
【００６５】
整流回路１３は、ダイオード１１、１２により、整流した脈流電圧をコンデンサ１４で平滑化し直流電圧を生成することができる。
【００６６】
整流回路１３により生成された直流電圧は、交流電源１の電圧に比例して変動するので、交流電源１の電圧を監視できる。したがって、この直流電圧を検出することにより、交流電源１の電圧を間接的に検出することが可能となる。
【００６７】
入力電圧監視部１６では、当該直流電圧の監視を行い、トランジスタ７の動作が不安定になるのを避けるため、電圧が予め設定した一定値よりも低下した場合には、制御部６へトランジスタ７を停止する信号を送る。また、電圧が一定値に復帰した場合には、制御部６へトランジスタ７を起動する信号を送る。
【００６８】
このように、入力電圧監視部１６を用いることにより、ＡＣ／ＤＣコンバータを安全に起動又は停止する事が可能となる。
【００６９】
また、シリーズレギュレータ１５で当該直流電圧を安定化した後、入力電圧監視部１６の直流電源（Ｖcc）２８とＰＦＣ回路１０の制御部６の直流電源（Ｖcc）２９として供給することができる。
【００７０】
これらの電源に流れる電流は非常に小さく、平滑用のコンデンサ１４の容量は小さくて良い。整流回路１３はコンデンサインプット方式であるが、平滑用のコンデンサ１４の容量が少ないために、ＡＣ/ＤＣコンバータ全体の力率低下への影響は無視できる程度に小さくすることができる。
【００７１】
図１０に示した、従来技術によるＰＦＣ回路１０と絶縁型コンバータ回路２６を組み合わせる方法の回路に、本実施例による整流回路１３の回路を追加することは可能であるが、以下に述べるように問題が発生する。
【００７２】
すなわち、図１０の回路に図７に示した整流回路１３の回路を追加する場合、整流回路１３を交流電源１に直接接続することになり、整流回路１３からの出力は高電圧の直流電圧となる。よって、高耐圧部品が必要となりコストが増加し、また寸法が大きくなる。さらに、この高い直流電圧を入力電圧監視部１６のＶcc２９やＰＦＣ回路１０のＶcc２８として使用するには、電圧を大幅に低下させる必要がある。このため、シリーズレギュレータでの損失が大きくなり、著しい変換効率の低下が発生する。
【００７３】
以上に説明したように、本実施例によれば、電圧変換トランス２により、降圧した２次側の低い交流電圧を整流して交流電源１の監視を行うことにより、ＡＣ／ＤＣコンバータを安全に起動又は停止する事が可能となる。
【００７４】
なお、第１の実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータでは、交流電源１の電圧を監視するための入力電圧監視部１６を低いコストで追加することができる。また、その監視する電圧を整流回路１３で提供することにより、入力電圧監視部１６及びＰＦＣ回路１０への電源供給を、高い変換効率で実現することができる。
【００７５】
しかしながら、図１０に示した従来技術によるＰＦＣ回路１０と絶縁型コンバータ回路２６を組み合わせる方法の場合には、コストが増加し、また変換効率の低下を招くという問題がある。
【００７６】
以上述べた複数の実施例では、電圧変換トランス２が何れも降圧トランスの場合であったが、電圧変換トランス２が昇圧トランスであっても、本発明の方法を同様に適用できることは言うまでもない。
【００７７】
以上好ましい複数の実施例をあげて本発明を説明したが、本発明は必ずしも、上記実施例に限定されるものでなく、その技術的思想の範囲内において様々に変形して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例によるインダクタに流れる電流の波形を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施例による整流回路に流れる電流の波形を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例による電圧変換トランスに流れる電流及び電圧の波形を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータを用いた機器構成例を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータを用いた別の機器構成例を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【図８】従来技術によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。
【図９】従来技術による電圧変換トランスに流れる電流を示す図である。
【図１０】従来技術によるＰＦＣ回路と絶縁型のコンバータ回路を組み合わせる方法の回路構成を示す図である。
【符号の説明】
【００７９】
１：交流電源
２、１８：電圧変換トランス
３、１３、２０：整流回路
４、９、１４、２３：コンデンサ
５：インダクタ
６：制御部
７：トランジスタ
８、１１、１２：ダイオード
１０、２１：ＰＦＣ回路
１５：シリーズレギュレータ
１６：入力電圧監視部
１７：電源プラグ
１９：電源部
２２：電子機器
２４：コンデンサ入力型整流回路
２５：非絶縁型コンバータ
２６：絶縁型コンバータ
２７、２８、２９：直流電源（Ｖcc）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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