(57)【要約】【課題】共振コンバータが常に一定の発振周波数で動作するように制御し、異常発振や間欠発振を防止するスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】ＡＣ電源を整流して直流電圧を出力する整流回路と、スイッチング素子及び前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路を含み、整流回路からの直流電圧を昇降圧するアクティブフィルタと、アクティブフィルタによって昇降圧した入力直流電圧を高周波の交流電圧に変換する共振コンバータと、共振コンバータの発振周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換器を含み、周波数・電圧変換器の出力電圧によってアクティブフィルタの制御回路を制御して共振コンバータ用の入力直流電圧を昇降圧し、共振コンバータの発振周波数を制御する周波数制御回路と、を具備する。【選択図】図１
2011239637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電源を整流して直流電圧を出力する整流回路と、
スイッチング素子及び前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路を含み、前記整流回路からの直流電圧を昇降圧するアクティブフィルタと、
前記アクティブフィルタによって昇降圧した入力直流電圧を高周波の交流電圧に変換する共振コンバータと、
前記共振コンバータの発振周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換器を含み、前記周波数・電圧変換器の出力電圧によって前記アクティブフィルタの制御回路を制御して前記共振コンバータ用の入力直流電圧を昇降圧し、前記共振コンバータの発振周波数を制御する周波数制御回路と、を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記周波数制御回路は、前記周波数・電圧変換器からの変換電圧と定電圧とを比較する比較回路とを含み、前記比較回路の出力電圧によって前記アクティブフィルタの制御回路を制御することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記共振コンバータは、前記入力直流電圧が供給される第２のスイッチング素子と、前記第２のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、前記第２のスイッチング素子からのスイッチング出力が供給される１次巻線及び前記スイッチング出力によって交流電圧が励起される２次巻線を有するコンバータトランスとを含み、
前記周波数制御回路は、前記第２のスイッチング素子の制御電極に供給される制御パルスの周波数を前記周波数・電圧変換器によって電圧に変換することを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
ＡＣ電源を整流回路によって整流して直流電圧を出力し、
スイッチング素子及び前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路を含むアクティブフィルタによって前記整流回路からの直流電圧を昇降圧し、
前記昇降圧した入力直流電圧を共振コンバータによって高周波の交流電圧に変換し、
前記共振コンバータの発振周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換器の出力電圧によって前記アクティブフィルタの制御回路を制御して前記共振コンバータの直流電圧を昇降圧し、前記共振コンバータの発振周波数を制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクティブフィルタを用いたスイッチング電源装置に係り、電源電圧の変動や負荷変動に対して安定に動作するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハロゲンランプ等の負荷を駆動するため、共振コンバータを有するスイッチング電源装置が使用されている。共振コンバータは、スイッチング素子とコンバータトランスを有し、スイッチング素子を高周波でスイッチングして直流電圧を高周波の交流電圧に変換するようにしている。負荷回路としてランプを接続した場合は、ランプを交流点灯することができる。
【０００３】
ところで、従来のスイッチング電源装置では、電源電圧の変動や負荷変動により、共振コンバータが間欠発振することがあり、間欠発振により効率の低下や騒音の発生を招くことがある。
【０００４】
特許文献１には、２次側の負荷の状態を１次側で正確に検出するとともに変換効率の向上を図ったスイッチング電源装置が開示されている。特許文献１の例では、共振コンバータのスイッチング素子の駆動信号のエッジを検出して駆動周波数を制御し、発振周波数を切り替えることで高効率化を図っている。
【０００５】
また特許文献２にはアクティブフィルタを有するスイッチング電源装置が開示されている。特許文献２の例では、負荷状態によって共振コンバータの複数のスイッチング素子のうち、一部のスイッチング素子の駆動を停止することにより電源効率の改善を図っている。
【０００６】
しかしながら、従来及び上記特許文献の例では、電源電圧の変動や負荷変動により、共振コンバータが間欠発振することがあり、間欠発振により効率の低下や騒音が発生するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１５９７２７号公報
【特許文献２】国際公開特許ＷＯ２００４／０２３６３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のスイッチング電源装置では、電源電圧の変動や負荷変動により、共振コンバータが間欠発振することがあり、間欠発振により効率の低下や騒音が発生するという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、共振コンバータが常に一定の発振周波数で動作するように制御し、異常発振や間欠発振を防止するスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の実施形態に係るスイッチング電源装置は、ＡＣ電源を整流して直流電圧を出力する整流回路と、スイッチング素子及び前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路を含み、前記整流回路からの直流電圧を昇降圧するアクティブフィルタと、前記アクティブフィルタによって昇降圧した入力直流電圧を高周波の交流電圧に変換する共振コンバータと、前記共振コンバータの発振周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換器を含み、前記周波数・電圧変換器の出力電圧によって前記アクティブフィルタの制御回路を制御して前記共振コンバータ用の入力直流電圧を昇降圧し、前記共振コンバータの発振周波数を制御する周波数制御回路と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
また請求項４記載の実施形態に係るスイッチング電源装置は、ＡＣ電源を整流回路によって整流して直流電圧を出力し、スイッチング素子及び前記スイッチング素子をオン・オフ制御する制御回路を含むアクティブフィルタによって前記整流回路からの直流電圧を昇降圧し、前記昇降圧した入力直流電圧を共振コンバータによって高周波の交流電圧に変換し、前記共振コンバータの発振周波数を電圧に変換する周波数・電圧変換器の出力電圧によって前記アクティブフィルタの制御回路を制御して前記共振コンバータの直流電圧を昇降圧し、前記共振コンバータの発振周波数を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置では、共振コンバータの発振周波数に応じてアクティブフィルタを制御することにより、共振コンバータが常に一定の発振周波数で動作するようになり、異常に高い周波数で発振したり、間欠発振するのを防止することができ、高効率化と騒音の抑制を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図。
【図２】一実施形態に係るスイッチング電源装置の具体的な構成を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、この発明のスイッチング電源装置の一実施形態について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１５】
図１は、一実施形態に係るスイッチング電源装置１００の構成を示す回路図であり、交流電源１１、全波整流回路１２、アクティブフィルタ１３、共振コンバータ１５、負荷回路１７及び周波数制御回路１８を含む。負荷回路１７としては、例えばハロゲンランプ等がある。
【００１６】
交流電源１１は全波整流回路１２によって全波整流され、直流化した電圧がアクティブフィルタ１３に供給される。アクティブフィルタ１３は例えば昇降圧型であり、全波整流回路１２で整流した直流電圧Ｖ１を昇圧或いは降圧する。アクティブフィルタ１３は、全波整流回路１２の出力端と平滑コンデンサＣ１間に接続したスイッチング素子Ｑ１及びダイオードＤ１と、スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１の接続点と基準電位点（アース）間に接続したインダクタＬ１と、スイッチング素子Ｑ１を制御する制御回路１４とを含む。
【００１７】
スイッチング素子Ｑ１は、制御回路１４によってオン・オフ制御され、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にインダクタＬ１に励磁電流が流れる。スイッチング素子Ｑ１のオフ期間には、ダイオードＤ１がオンしてインダクタＬ１の励磁エネルギーがダイオードＤ１を介して放出され、コンデンサＣ１を充電する。またスイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１の両方がオフする期間では、コンデンサＣ１から負荷に放電電流が流れる。したがって、スイッチング素子Ｑ１のオン期間をＴon、オフ期間をＴoffとすると、アクティブフィルタ１３の出力電圧Ｖ２は、入力直流電圧Ｖ１×（Ｔon／Ｔoff）で表わされる。
【００１８】
制御回路１４からはスイッチング素子Ｑ１を駆動する制御パルスが出力され、周波数制御回路１８からの制御電圧に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン・オフデューティを制御して出力電圧Ｖ２を昇降圧する。尚、アクティブフィルタ１３は共振コンバータ１５に対する直流電圧源を構成する。
【００１９】
共振コンバータ１５は、アクティブフィルタ１３からの直流電圧Ｖ２が供給されるスイッチング素子と、コンバータトランスを含み、スイッチング素子をＰＷＭ信号によって所定の発振周波数でスイッチング動作させる。コンバータトランスの一次巻線はコンデンサに直列に接続されて電流共振し、コンバータトランスの２次巻線に交流電圧を励起する。共振コンバータ１５の出力端１６に接続された負荷回路１７は、例えばランプ等でありランプをコンバータトランスの２次巻線の交流電圧によってＡＣ点灯することができる。
【００２０】
さらに、アクティブフィルタ１３の制御回路１４を制御するため周波数制御回路１８を設けている。周波数制御回路１８は、共振コンバータ１５の発振周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換回路１９と、比較回路２０を含む。比較回路１９は、Ｆ／Ｖ変換した電圧と定電圧とを比較し、定電圧を中心に増減する比較出力（制御電圧）を制御回路１４に供給する。制御回路１４は、制御電圧に応じてスイッチング素子Ｑ１のオン・オフデューティを制御し、アクティブフィルタ１３の出力電圧を昇圧又は降圧する。
【００２１】
図１のスイッチング電源装置１００は、電源電圧や負荷変動があった場合に、周波数制御回路１８からの制御電圧によってアクティブフィルタ１３の制御回路１４を制御して共振コンバータ１５の入力直流電圧Ｖ２を昇降圧し、共振コンバータ１５が常に一定の発振周波数で動作するように制御する。したがって、共振コンバータ１５の発振周波数が異常に高くなったり間欠発振するのを防止することができる。
【００２２】
例えば負荷が軽くなると、共振コンバータ１５の発振周波数が高くなり、共振コンバータ１５のスイッチングロスが増加する。そこで周波数制御回路１８は、Ｆ／Ｖ変換回路１９によって共振コンバータ１５の発振周波数を電圧に変換し、比較回路２０で定電圧と比較し、Ｆ／Ｖ変換電圧に応じてアクティブフィルタ１３の制御回路１４を制御してスイッチング素子Ｑ１のオン・オフデューティを変え、アクティブフィルタ１３の出力電圧Ｖ２を降圧する。こうして共振コンバータ１５の発振周波数は低くなるように制御され、間欠発振するのを防ぐことができる。また負荷が重くなれば逆の動作を行い、アクティブフィルタ１３の出力電圧Ｖ２を昇圧し、共振コンバータ１５の発振周波数は高くなるように制御される。
【００２３】
図２は、実施形態に係るスイッチング電源装置１００の具体例を示す回路図である。図２において、アクティブフィルタ１３の出力端には共振コンバータ１５が接続されている。共振コンバータ１５は、アクティブフィルタ１３の出力端と基準電位点（アース）間に直列に接続したスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３を含む。スイッチング素子Ｑ２のドレインにはアクティブフィルタ１３からの直流電圧が入力され、ソースはスイッチング素子Ｑ３のドレインに接続し、スイッチング素子Ｑ３のソースは基準電位点（アース）に接続している。
【００２４】
スイッチング素子Ｑ２とＱ３の接続点とアース間には、コンバータトランスＴの1次巻線Ｔ１とコンデンサＣ２から成る直列共振回路が接続されている。またスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のゲートには、制御部２１からのＰＷＭ信号が供給され、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３は、ＰＷＭ信号によって所定の周波数で相補的にスイッチング動作する。
【００２５】
トランスＴの２次巻線Ｔ２の両端には、負荷回路１７として例えばランプが接続されている。またトランスＴの３次巻線Ｔ３には、ダイオードＤ２とコンデンサＣ３から成る整流・平滑回路が接続されており、整流・平滑した出力電圧を抵抗Ｒ１とＲ２の直列回路によって分圧することで、共振コンバータ１５の出力電圧に比例した検出電圧Ｖ３を得ることができる。検出電圧Ｖ３はフィードバック回路２２に供給され、フィードバック回路２２は検出電圧Ｖ３の変化に応じて制御部２１を制御し、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン・オフ周期を制御する。制御部２１は、集積回路（ＩＣ）で構成されている。
【００２６】
スイッチング素子Ｑ２とＱ３の接続点にはスイッチング出力が得られ、このスイッチング出力によってトランスＴの一次巻線Ｔ１とコンデンサＣ２の直列回路は電流共振し、トランスＴの２次巻線Ｔ２には交流電圧が励起される。したがって、ランプ１８は２次巻線Ｔ２の交流電圧によってＡＣ点灯する。こうして、共振コンバータ１５は電流共振型として動作し、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオン・オフをＰＷＭ信号によって制御することで、トランスＴの２次巻線Ｔ２の出力交流電圧の周波数が変化する。
【００２７】
また周波数制御回路１８は、共振コンバータ１５の発振周波数を電圧に変換するＦ／Ｖ変換回路１９を設けている。Ｆ／Ｖ変換回路１９は、例えばスイッチング素子Ｑ２の制御電極に供給される制御パルスを抵抗Ｒ３を介して取り込み、制御パルスの周波数に比例した電圧を出力する。Ｆ／Ｖ変換回路１９としては、例えば新電元製のＩＣ：ＮＪＭ４１５１を用いることができる。
【００２８】
Ｆ／Ｖ変換回路１９の出力電圧は、抵抗Ｒ４を介してコンパレータＡ１の反転入力端（−）に供給される。コンパレータＡ１は比較回路２０を構成するもので、非反転入力端（＋）には定電圧源Ｅ１が接続されている。
【００２９】
コンパレータＡ１の反転入力端（−）と出力端間には、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４が並列に接続されており、コンパレータＡ１の出力端からアクティブフィルタ１３の制御回路１４に制御電圧Ｖ５を供給する。
【００３０】
図２の回路において、共振コンバータ１５の発振周波数が高くなると、Ｆ／Ｖ変換回路１９からは発振周波数に比例して高い電圧が得られる。コンパレータＡ１の反転入力端（−）には、Ｆ／Ｖ変換電圧Ｖ４が供給され、Ｆ／Ｖ変換電圧Ｖ４を増幅してアクティブフィルタ１３の制御回路１４にフィードバックする。つまりコンパレータＡ１は、定電圧Ｅ１を中心にして増減する制御電圧Ｖ５を制御回路１４に供給する。したがって、Ｆ／Ｖ変換電圧Ｖ４が定電圧Ｅ１よりも高くなるとコンパレータＡ１からの制御電圧Ｖ５によって、制御回路１４はアクティブフィルタ１３の出力電圧Ｖ２を降圧するようにスイッチング素子Ｑ１のオン・オフデューティを変える。
【００３１】
また共振コンバータ１５の発振周波数が低くなるとＦ／Ｖ変換回路１９からは低い電圧が得られ、Ｆ／Ｖ変換電圧Ｖ４が定電圧Ｅ１よりも低くなると、コンパレータＡ１からの制御電圧Ｖ５によって、制御回路１４はアクティブフィルタ１３の出力電圧Ｖ２を昇圧するようにスイッチング素子Ｑ１のオン・オフデューティを変える。こうして共振コンバータ１５は、常に一定の発振周波数に制御される。
【００３２】
このように本発明の実施形態では、共振コンバータ１５の発振周波数に応じてアクティブフィルタ１３を制御して共振コンバータ１５の入力直流電圧を昇降圧することにより、共振コンバータ１５が常に一定の発振周波数で動作するようになり、異常に高い周波数で発振したり、間欠発振するのを防止することができ、高効率化と騒音の抑制を図ることができる。
【００３３】
尚、本発明の実施形態は、以上説明した構成に限定されるものではない。例えば、負荷回路１７としてハロゲンランプを例に述べたが、他の負荷回路を駆動する場合にも適用することができる。また共振コンバータ１５の発振周波数を電圧に変換するため、スイッチング素子Ｑ２に供給される制御パルスをＦ／Ｖ変換する例を述べたが、トランスＴの一次巻線Ｔ１等に生じるパルス周波数をＦ／Ｖ変換するようにしても良い。また特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１００…スイッチング電源装置
１１…交流電源
１２…全波整流回路
１３…アクティブフィルタ
１４…制御回路
１５…共振コンバータ
１６…出力端子
１７…負荷回路
１８…周波数制御回路
１９…Ｆ／Ｖ変換器（周波数・電圧変換器）
２０…比較回路
Ｑ１…スイッチング素子
Ｌ１…インダクタ
Ｄ１…ダイオード
Ｃ１…平滑コンデンサ
Ｑ２，Ｑ３…スイッチング素子
Ｔ…コンバータトランス
Ｔ１…１次巻線
Ｔ２…２次巻線
Ｃ２…コンデンサ（電流共振用）
Ａ１…コンパレータ
【図１】
2011239637.tif 000003
【図２】
2011239637.tif 000004