(57)【要約】【課題】  本発明は、特に受電電圧が高圧の場合のスイッチング電源回路の起動回路において、起動回路用抵抗器に印加される電圧を低減することによって電力損失を低減し、小形、低コストのスイッチング電源回路を提供することを目的としている。【解決手段】  コンデンサが2個以上直列に接続された直流電圧部と、該直流電圧部から直流電力の供給を受けてトランスの一次側をＰＷＭ制御によりスイッチング制御し、電圧仕様の異なる直流電圧を出力するスイッチング電源回路において、ＰＷＭ制御回路の起動用抵抗器を前記コンデンサの接続点に接続したことを特徴とするスイッチング電源回路。【選択図】  図１
2011167068.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも2個直列に接続されたコンデンサを有する直流電源部と、該直流電圧部から直流電力の供給を受けてトランスの一次側をＰＷＭ制御回路によりスイッチング制御し、電圧仕様の異なる直流電圧を出力するスイッチング電源回路において、前記直流電圧部の直流電圧を分圧し、該分圧した点に抵抗器を介して前記ＰＷＭ制御回路への電源供給部を接続したことを特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項２】
前記直流電圧部の直流電圧を前記直列に接続されたコンデンサで分圧し、前記直流電圧を分圧したコンデンサの接続点に抵抗器を介して前記ＰＷＭ制御回路を接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
【請求項３】
前記コンデンサには電圧バランス用抵抗器が並列接続され、前記電圧バランス用抵抗器で前記直流電圧部の直流電圧が分圧された接続点に抵抗器を介して前記ＰＷＭ制御回路を接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
【請求項４】
前記電圧バランス用抵抗器は前記コンデンサ１つに対し少なくとも1つ以上の抵抗器を直列接続した直列体を並列接続し、該直列体の接続点に前記ＰＷＭ制御回路を接続したことを特徴とする請求項３記載のスイッチング電源回路。
【請求項５】
前記ＰＷＭ制御回路と前記ＰＷＭ制御回路が並列接続される前記電圧バランス用抵抗器との合成抵抗値は、他の電圧バランス用抵抗器の抵抗値とほぼ同じ値であることを特徴とする請求項３または請求項４記載のスイッチング電源回路。
【請求項６】
交流を受電し直流に変換する整流器と、該整流器の直流出力を平滑するコンデンサを備えた直流中間部と、該直流中間部の直流電圧を任意の可変電圧可変周波数の交流に変換するインバータと、前記インバータを制御するインバータ制御回路と、前記直流中間部の直流電力の供給を受けてトランスの一次側をＰＷＭ制御回路によりスイッチング制御し電圧仕様の異なる直流電圧を前記インバータ制御回路に制御電源として供給するスイッチング電源回路を備えたインバータ装置において、前記コンデンサは複数直列接続され、該コンデンサの直列接続点に前記ＰＷＭ制御回路の電源供給部を接続し、前記インバータ制御回路に該スイッチング電源回路の直流出力を直流電源として接続したインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電圧部に少なくとも2個以上直列に接続されたコンデンサを有する装置に係り、特にその直流電圧部から電圧仕様の異なる直流電圧を得るスイッチング電源回路の回路構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、交流電源を受電して直流電圧を得、更にこの直流電圧から電圧仕様の異なる直流電圧を得る電源回路としてスイッチング電源回路がある。例えば特開2000-60118号公報の図６に従来技術として記載されているものがある。このスイッチング電源回路は、直流電圧部から直流電力の供給を受けてトランスの一次側をＰＷＭ制御回路によりスイッチング制御し、電圧仕様の異なる直流電圧を出力するスイッチング電源回路であるが、入力される交流電源が２００Ｖ，４００Ｖ受電などその電圧が高圧になるほど直流電圧部の電圧が高くなり、スイッチング電源回路の起動回路に使用する抵抗器８，９で発生する電力損失が受電電圧のほぼ２乗に比例して大きくなるという問題があった。この問題点を解決する方法として、特開2000-60118号公報に開示された発明では、スイッチング電源回路の起動時のみ抵抗器を介して、上記ＰＷＭ制御回路用としての電源制御ICに電力を供給し、スイッチング電源回路が動作し始めた後はこの抵抗器に流れる電流を遮断するというものである。しかし、電流を遮断制御する回路に直流電圧部の電圧に見合った耐電圧を持つ能動素子が必要となるため、回路が複雑になり、コストが高くなるという問題があった。
【０００３】
上記問題点を解決する別の方法として、上記公報の図６に従来技術として記載されているように、起動回路の抵抗器を2個以上直列接続することによって分圧したり、また抵抗器での発生熱を放熱するために抵抗器自体を大形化したり、抵抗器単体の最大許容電圧以下であっても、抵抗器の直列接続数を増やすことによって発熱源を分散させたり、抵抗器の周囲に十分な放熱空間を設けたりすることを行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2000-60118号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術によるスイッチング電源回路は、直流電圧部の電圧Viが上昇した場合、起動回路の抵抗器に印加される電圧も上昇するため以下（１）〜（３）に説明するような問題があった。
（１）起動回路の抵抗器に印加する電圧または電力が抵抗器の最大許容値を越える場合、2本以上直列接続する必要があり、電圧が高いほど直列接続する抵抗器の数は増え、信頼性の低下とコスト上昇の要因となっていた。
（２）さらに、抵抗器に印加される電圧が高くなるほど電力損失による抵抗器の発熱も増加し、放熱のために十分な空間が必要であった。これにより、機器の大形化、コスト上昇の要因となっていた。
（３）上記（１）、（２）の問題を改良した特開2000-60118号公報に発明として記載された従来技術は、電流を遮断制御する回路に直流電圧部の電圧に見合った耐電圧を持つ能動素子が必要となるため、特に受電電圧が高くなると高耐圧の能動素子が必要になり、回路が複雑になり、コストが高くなる問題があった。
【０００６】
本発明は、特に受電電圧が高くなった場合に、簡単な回路構成で起動回路の抵抗器に印加される電圧を低減することによって電力損失を低減し、小形、低コストのスイッチング電源回路を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、特に受電電圧が高くなった場合に直流電圧部の平滑コンデンサを2個以上直列に接続する必要があることを利用し、コンデンサが少なくとも2個直列に接続された直流電源部と、該直流電圧部から直流電力の供給を受けてトランスの一次側をＰＷＭ制御回路によりスイッチング制御し、電圧仕様の異なる直流電圧を出力するスイッチング電源回路において、前記直流電圧部の直流電圧を分圧し、該分圧した点に抵抗器を介して前記ＰＷＭ制御回路の電源を接続し、前記起動回路用抵抗器で発生する電力損失を低減し、小形、低コストを実現したものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、スイッチング電源に電力を供給するための抵抗器に印加される電圧を低減でき、電力損失が低減され、発熱が減少する。したがって、機器の小形化、低コスト化を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
【図２】本発明の起動回路の電力損失特性を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態を説明するための等価回路の図である。
【図４】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態によるスイッチング電源装置の回路構成を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態として、汎用インバータの電源回路の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明によるスイッチング電源回路の回路構成について、図示の実施例により詳細に説明する。
【００１１】
図1は、本発明によるスイッチング電源回路を具体化した一実施例である。図1において、DRは交流電源VACを整流して直流電圧を得る整流用ダイオードである。CB1、CB2はコンデンサであり、整流ダイオードDRによって生成された直流電圧を平滑する。RB1、RB2は電圧バランス用の抵抗器であり、コンデンサCB1、CB2に印加される電圧を均等化する。点Aは、コンデンサCB1とCB2、抵抗器RB1とRB2がそれぞれ直列に接続された接続点である。点Bは、コンデンサCB1、CB2によって平滑された直流電圧Viが現れる部分である。CTRLはスイッチング電源回路のトランスの一次側をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ制御回路であり、具体的にはＰＷＭ制御信号を出力する電源制御ICで構成され例えば日立製作所製HA16107FPの様な集積回路が使用される。点CはＰＷＭ制御回路CTRLに必要な電力を供給する端子である。Mはスイッチング素子である。CS、DS、RSはサージ電圧吸収用のそれぞれスナバ・コンデンサ、スナバ・ダイオード、スナバ・抵抗器である。R1はスイッチング電源回路起動時と、起動した後にＰＷＭ制御回路CTRLへ電力を供給するための起動回路の抵抗器である。図1では抵抗器R1は１つであるが、必要に応じて直列にし、その直列にする数量を調整する。D1、D2、C1、C2はそれぞれ整流ダイオードと平滑用コンデンサである。図1において整流ダイオードDRの整流方式は単相交流をブリッジ整流しているが、整流方式は特に問わない。
【００１２】
本発明では、抵抗器R1を、点Aに接続する。従来技術では、起動回路の抵抗器R1を、コンデンサCB1、CB2で平滑された後の点Bに接続していたが、本発明では、点Aの電圧VAは、点Bの電圧Viより低いので、抵抗器R1に印加される電圧を下げることができ、抵抗器R1の発生損失を低減できる。また、抵抗器の直列接続数を減らすことができ、放熱のための空間を少なくすることができる。以上により、信頼性を向上させることができ、図２は、ＰＷＭ制御回路CTRLにほぼ同一電流が必要なものとして、分圧点Aの電圧VAと抵抗器R1で発生する電力損失の関係を示したもので、分圧点Aの電圧にほぼ比例して抵抗
器R1で発生する電力損失を低減することが出来る。即ち、抵抗器R1には分圧点Aの直流電
圧VAからＰＷＭ制御回路CTRLに印加される電圧V CTRLを差し引いた電圧が印加されるが、
一般的にＰＷＭ制御回路CTRLに印加される電圧は、ほとんどの場合十数V以下でほぼ一定
値である。また、ＰＷＭ制御回路CTRLに必要な動作電流はほぼ一定である。従って分圧点
Aに抵抗器R1を接続しＰＷＭ制御回路CTRLに電力を供給した場合、分圧点Aの電圧にほぼ比例して電力損失が低減されるのである。
一例としてコンデンサCB1、CB2に印加される電圧を均等にし、分圧点Aの電圧VAを点Bの電圧Viの2分の1にした場合、抵抗器R1に印加される電圧は従来技術のほぼ2分の1となる。この場合、後述する式(数1)においてＶA=Ｖi/2となる様にRB1、RB2、R1、の値を選べばよい。
【００１３】
この場合、図1の様にコンデンサCB1、CB2を直列に接続した分圧点Aから起動回路へ電流を取り出すと、コンデンサCB1とCB2に並列接続されたバランス抵抗の値に偏りが生じるので、コンデンサCB1とCB2の電圧が崩れる。したがって、電圧のバランスが取れるように合成インピーダンスを考慮する必要がある。
【００１４】
図３は、図1中のRB1、RB2、R1、CB1、CB2、ＰＷＭ制御回路CTRLの入力インピーダンスRCTRLを等価的に記載した等価回路である。ここで、VAをコンデンサを直列接続した分圧点
Aにおける電圧、Viを直流電圧部Bの電圧とする。RB1に流れる電流I1は、RB2に流れる電流I2とR1に流れる電流IRの合計したものとなる。RB1における電圧降下により分圧点Aの電圧VAが決定され、分圧点Aの電圧VAとRB2、R1、RCTRL の値によりI2とIRの値が決定される。以上の関係から、以下の式 (数1) が導かれる。
【００１５】
【数１】
2011167068.tif 000003
【００１６】
(数1)を用い、分圧点Aの電圧VAが所望の電圧となる様、抵抗器RB1、RB2、R1を選定すればよい。ただし、RCTRLはＣＴＲＬの仕様で別に決まる。また、VC＜VA＜Viの関係が保たれることが必要である。以上の様に、抵抗器R1と、コンデンサCB1、CB2に並列に接続された抵抗器RB1とRB2の抵抗値を適切に選定することにより、コンデンサCB1、CB2にかかる電圧を任意の値に安定化させることができるため、コンデンサCB1、CB2の各々に印加される電圧を任意の電圧にバランスさせることができ、且つ、従来技術と比較し、コンデンサCB1とCB2の接続点である分圧点Aから制御回路CTRLに電力を小電力で供給することができる。
【００１７】
図４は本発明の別の実施例であり、コンデンサが3本直列接続されている例である。図４において、CB1、CB2、CB3はそれぞれコンデンサであり、RB1、RB2、RB3はそれぞれコンデンサに並列接続された抵抗器である。図３ではCB2とCB3の直列接続点にR1を接続している。例として、以下の式(数2)を満たす様にRB1、RB2、RB3、R1の抵抗値を設定すれば、CB1、CB2、CB3に印加される電圧を均等にすることができる。
【００１８】
【数２】
2011167068.tif 000004
【００１９】
この場合、ＲＢ１をＲＢ２に等しく選定すれば、図４における分圧点Aでの電圧VAは、
図４における点Bでの電圧Viの3分の1となる。図４に示す例ではコンデンサは3本であったが、直列接続するコンデンサの数量は特に問わなく、4本以上でも同様に実現することができる。
図1および図４においては回路構成はいわゆるフライバックコンバータとなっているが、そのほか例えばフォワードコンバータやハーフブリッジ、フルブリッジ式など、スイッチング電源回路方式は特に問わない。
図５に本発明の別の実施例を示す。コンデンサCB1、CB2が直列に接続され、その各々に2本ずつ抵抗器RB1、RB2、RB3、RB4が接続されている。図５に示す如く、抵抗器RB3とRB4の直列接続部に抵抗器R1が接続されている。図５に示す様にすることにより、R1に印加される電圧をより低くすることができる。図５ではコンデンサCB1、CB2の各々に並列接続される抵抗器は2本ずつであるが、抵抗器の数量は特に問わなく（例として3本以上）、またコンデンサCB1、CB2に接続される抵抗器の数量は必ずしも同一である必要はない。
また、本発明による電源供給方法を用いたスイッチング電源を、電気機器に組み込んだ一例として、汎用インバータ装置に使用する実施例を図６に示す。図６においてダイオードD1〜D6は三相交流の整流用ダイオードで、交流電源VACから交流を受電し直流電圧に変換する整流器を構成する。Q1〜Q6はインバータ用スイッチング素子で、IGBTあるいはバイポーラトランジスタなどのパワートランジスタが使用される。ダイオードFWD1〜FWD6はインバータ用還流ダイオードであり、直流中間電圧（Ｐ−Ｎ間直流電圧）を任意の可変電圧可変周波数の三相交流電圧に変換するインバータを構成する。サイリスタThyと抵抗器RDでコンデンサC1、C2への突入電流防止回路を構成する。図６においてコンデンサCB1、CB2は汎用インバータ装置における直流中間電圧部の平滑コンデンサである。図６の場合、コンデンサCB1、CB2を2本直列に接続して使用しており、コンデンサCB1、CB2には並列に電圧バランス用の抵抗器RB1、RGB2が接続されている。図６のPSは、図1に示すPSと同じであり、スイッチング電源回路を構成するＰＷＭ制御回路CTRL、スイッチング素子M、トランスT等により構成される。このＰＳは、この汎用インバータ装置のインバータ制御回路CTLに制御電圧を供給する制御電源として使用される。図６において、コンデンサCB1、CB2の直列接続点Aには図１と同様に抵抗器R1が接続され、また図６における直流電圧の正側の点Pにはトランスの一次巻き線L1に接続され（点ＰはＰＳにとって図１の点Ｂに相当する）、図６における直流電圧の負側の点NはＰＷＭ制御回路CTRLやスイッチング素子Ｍの共通電位部に接続される。
【００２０】
以上の実施例では、コンデンサＣＢ１、ＣＢ２、・・・に均等に電圧が印加されるように、これらコンデンサに並列接続される抵抗値（インピーダンス値）を考慮したが、これはコンデンサＣＢ１、ＣＢ２、・・・の定格電圧として通常同じものを使用するので、コンデンサＣＢ１、ＣＢ２、・・・の能力を有効に利用する上で効果的である。また、高圧受電の場合にコンデンサに印加される電圧が耐圧を越えるようになるとき、あるいは高圧受電のときコンデンサに印加される電圧に余裕を取るためには、コンデンサは２個以上直列に接続する必要があり、本発明はこれを利用して起動用抵抗の電力損失を低減する。従って起動用に特別なコンデンサなどを用意することなく、簡単な構成で、しかも低コストで本発明を実施できる。
【符号の説明】
【００２１】
DR…ダイオードブリッジ、CB1…コンデンサ、CB2…コンデンサ、CB3…コンデンサ、RB１…抵抗器、RB2…抵抗器、RB3…抵抗器、Ｒ１…抵抗器、Ｒ２…抵抗器、ＣＴＲＬ…ＰＷＭ制御回路、M…スイッチング素子、ＣＳ…スナバ・コンデンサ、ＤＳ…スナバ・ダイオード、ＲＳ…スナバ・抵抗器、T…トランス、L1…トランスの巻き線、L2…トランスの巻き線、L3…トランスの巻き線、Ｄ１…ダイオード、Ｄ２…ダイオード、Ｃ１…コンデンサ、Ｃ２…コンデンサ、A…直流電圧の分圧点、B…コンデンサによって平滑された直流電圧が現れる点、C…ＰＷＭ制御回路ＣＴＲＬの給電部の電圧が現れる点、I1…RB1に流れる電流、I2…RB2に流れる電流、IR…R1に流れる電流
【図１】
2011167068.tif 000005
【図２】
2011167068.tif 000006
【図３】
2011167068.tif 000007
【図４】
2011167068.tif 000008
【図５】
2011167068.tif 000009
【図６】
2011167068.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年6月27日(2011.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの入力側に配置された入力側ダイオード及び入力側コンデンサを備える整流回路と、
前記トランスの出力側に配置された出力側ダイオード及び出力側コンデンサを備える電力出力回路と、
前記整流回路から供給された直流電力によりスイッチング制御するスイッチング制御回路と、
を備えるスイッチング電源回路を有する電力変換装置において、
前記トランスの入力側の一端を前記整流回路の正極に接続すると共に、前記トランスの入力側の他端を前記スイッチング素子に接続し、また、前記スイッチング制御回路に直流電力を供給する前記整流回路に少なくとも２個以上の直列接続したコンデンサを備えた平滑回路が正極と負極間に接続されると共に、それぞれのコンデンサに並列に接続した抵抗器を備えるバランス回路を有し、
前記バランス回路を構成するうちの負極側の抵抗器の正極側に接続されたスイッチング制御回路用抵抗器を介し、前記スイッチング制御回路の正極側電源に接続され、
前記バランス回路の負極側に接続されるバランス抵抗と前記スイッチング制御用抵抗器を含めたスイッチング制御回路の合成インピーダンスが他のバランス抵抗の合成インピーダンスと等しくなるようにしたことを特徴とする電力変換装置。