(57)【要約】      （修正有）【課題】知能型多段電力変換のスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】ブリッジ整流器１の出力がＥＭＩフィルタ２の入力に接続され、ＥＭＩフィルタ２の出力がスタンバイトポロジー３を通じてマイクロコントローラ４に接続され、且つ、ＥＭＩフィルタ２の出力が２個以上の異なる電力トポロジー１５，１６，１７にそれぞれ異なるＭＯＳＦＥＴスイッチ１２，１３，１４を通じて接続され、スタンバイトポロジー３がスタンバイ電流センサー７と負荷検出回路６を通じて負荷５に接続され、電力トポロジー１５，１６，１７が各自対応する動作電流センサー１８，１９，２０を通じて負荷５に各々接続され、スタンバイ電流センサー７の出力と動作電流センサー１８，１９，２０の出力と負荷検出回路６の出力がマイクロコントローラ４の入力に各々接続され、マイクロコントローラ４の出力が複数のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２，１３，１４の各入力に接続される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
知能型多段電力変換のスイッチング電源装置であって、ブリッジ整流器（１）の出力がＥＭＩフィルタ（２）の入力に接続され、前記ＥＭＩフィルタ（２）の出力がスタンバイトポロジー（３）を通じてマイクロコントローラ（４）に接続され、且つ、前記ＥＭＩフィルタ（２）の出力が２個以上の異なる電力トポロジーにそれぞれ異なるＭＯＳＦＥＴスイッチを通じて接続され、前記スタンバイトポロジー（３）がスタンバイ電流センサー（７）と負荷検出回路（６）を通じて負荷（５）に接続され、前記電力トポロジーが各自対応する動作電流センサーを通じて前記負荷（５）に各々接続され、前記スタンバイ電流センサー（７）の出力と前記動作電流センサーの出力と前記負荷検出回路（６）の出力が前記マイクロコントローラ（４）の入力に各々接続され、前記マイクロコントローラ（４）の出力が複数の前記ＭＯＳＦＥＴスイッチの各入力に接続されていることを特徴とする知能型多段電力変換のスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記マイクロコントローラ（４）の出力が更にＬＥＤ状態表示灯（８）とファン（９）に接続され、温度検出器（１０）の出力が前記マイクロコントローラ（４）の入力に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記負荷（５）がリップル検出回路（１１）を通じて前記マイクロコントローラ（４）の入力に接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の知能型多段電力変換の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、スイッチング電源装置に関し、特に、知能型多段電力変換のスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
社会の省エネ、二酸化炭素排出削減に伴い、人々は低炭素な生活を求め、過剰に電力を消費する時代を終わりにして、節電生活に入ってきた。以前人々は家電製品の電力の大きさにあまり関心を寄せず、照明器具回路の効率にも関心を寄せなかったが、ＬＥＤ照明時代に入り、ＬＥＤの低消費電力と高いパフォーマンスが広く浸透し、利用されている。
【０００３】
ＬＥＤの最適な動作環境は、低圧直流であるため、ＬＥＤ１個当たりの電圧は３．０Ｖ ＤＣ〜５Ｖ ＤＣである。現在一般的な電源が２２０ＶＡＣであるため、各電灯に対して２２０Ｖ ＡＣを低圧直流（１２Ｖ ＤＣ或いは２４Ｖ ＤＣ）に変換しなければならない。高品質の電力デバイスの多くは電源効率は高いが、高価であるため、商業用需要家と家庭用需要家からの受け入れが困難になっている。そのため多くの業者は、抵抗を直列接続して電圧降下を調整するリニアトポロジーを使用することで、コストを削減しているが、低効率（５０％未満）となるため、ＬＥＤの節電効果と相殺され、更には蛍光灯より電力を消費していることになる。複数の低消費電力の低圧直流設備で１つの高効率の電源を共用すると、負荷の変化が非常に大きくなるという問題がある。例えば、需要家が全ての電灯を点灯した時は、負荷が設計最大負荷の３００Ｗになる場合があり、昼間の書斎の電灯のみを点灯した時は、負荷はわずか約１０Ｗとなる。スイッチング電源の技術的特徴によれば、このような３００Ｗのスイッチング電源が６０Ｗ〜３００Ｗ（定格電力の２０〜１００％）にある時の効率は約８５％に達するが、負荷が６０Ｗ（定格電力の２０％）未満の時の効率は急速に８０％未満に下がる（図１）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、負荷変化による電源の効率低下という従来技術の問題点に鑑みて、負荷変化により自動的に適した電力トポロジーを選択し、負荷変化の電源効率に対する影響を減らし、電源効率を向上できる知能型多段電力変換の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】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置は、ブリッジ整流器の出力がＥＭＩフィルタの入力に接続され、前記ＥＭＩフィルタの出力がスタンバイトポロジーを通じてマイクロコントローラに接続され、且つ前記ＥＭＩフィルタの出力が２個以上の異なる電力トポロジーにそれぞれ異なるＭＯＳＦＥＴスイッチを通じて接続され、前記スタンバイトポロジーがスタンバイ電流センサーと負荷検出回路を通じて負荷に接続され、前記電力トポロジーが各自対応する動作電流センサーを通じて負荷に各々接続され、前記スタンバイ電流センサーの出力と前記動作電流センサーの出力と前記負荷検出回路の出力が前記マイクロコントローラの入力に各々接続され、前記マイクロコントローラの出力が複数の前記ＭＯＳＦＥＴスイッチの各入力に接続され各電力トポロジーのオン・オフ状態を制御している。前記マイクロコントローラは前記負荷検出回路を通じて需要家の負荷を検出した後、最大出力の電力トポロジーが接続されているＭＯＳＦＥＴスイッチに導通し、そして負荷電流の大きさにより最大出力の電力トポロジーから最小出力の電力トポロジーへ順にマッチングさせ、最終的にマッチした電力トポロジーに固定することで安定した動作状態を実現する。従って前記マイクロコントローラを利用して前記負荷の大きさを自動検出し、各電力トポロジーが接続されているＭＯＳＦＥＴスイッチの制御を通じて前記負荷の大きさに最も相応しい電力トポロジーを選択して、需要家の環境内で変化し得る負荷に対して最高の電力使用効率を実現する。各電力トポロジーは、電流が限界を超えないように制限し、電力トポロジー内のデバイスへの損傷を防止する電流制限機能を備える。知能型管理の目的を達成するため、前記マイクロコントローラはスタンバイトポロジーにおいて動作する。
【０００６】
前記知能型多段電力変換のスイッチング電源装置において、前記マイクロコントローラの出力が更にＬＥＤ状態表示灯とファンに接続され、温度検出器の出力が前記マイクロコントローラの入力に接続されている。
【０００７】
前記知能型多段電力変換のスイッチング電源装置において、前記負荷がリップル検出回路を通じて前記マイクロコントローラの入力に接続されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置は、以下の有利な技術的効果を有する。つまり本発明は２個以上の異なる電力トポロジーを導入し、マイクロコントローラにより実際の現在負荷電流を検出し、マイクロコントローラで相応しい最適な電力トポロジーを計算、選択することで、本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置を負荷の変化に適応させることができるため、低負荷率時の電源の効率低下を避けることができる。同時に本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置に接続された負荷は、リップルが極めて小さく２２０Ｖ ＡＣの変動より遥かに小さい極めて的確な低圧直流電源を得ることができるため、大幅に負荷の寿命を延ばすことができる。例えば、照明器具は深夜電力網の高圧影響（常に２４０Ｖ ＡＣになる）を受けるため理論的な数値より遥かに使用寿命が短く、実際の使用寿命の平均が２年未満となっている。しかし、本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置を使用すると、的確な直流電源を得ることができ、従ってその使用寿命を大幅に延ばすことができる。本発明は、ＤＣ−ＤＣの応用に使用でき、ＡＣ−ＤＣの応用にも使用でき、且つ複数の電力トポロジーで一式のフロントエンドＡＣ整流器とＥＭＩ回路を共用できるため、この部分のコストが増えることなく、低圧直流のＬＥＤの低コストが浸透し、複数の直流低圧電灯で本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置１個を共用することで、近距離の範囲内（５０ｍ未満、例えば家庭用或いは商業用の一部）において、複数の低圧直流のＬＥＤ灯に給電でき、更に例えば、低圧直流電源に接続できる充電器、スタンドライト、豆乳器、家庭用ルータなどのような低消費電力の家電製品にも給電できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来技術における、定格出力に対する負荷率（％）と電源効率を示す曲線図である。
【図２】本発明の３つの定格出力（２０Ｗ／８０Ｗ／３００Ｗ）状態における電源効率曲線図である。
【図３】本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図３に示すように、本発明の一実施形態の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置は、ブリッジ整流器１の出力がＥＭＩフィルタ２の入力に接続され、前記ＥＭＩフィルタ２の出力がスタンバイトポロジー３を通じてマイクロコントローラ４に接続され、且つ前記ＥＭＩフィルタ２の出力が第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ１２を通じて２０Ｗの電力トポロジー１５に接続され、第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ１３を通じて８０Ｗの電力トポロジー１６に接続され、第３のＭＯＳＦＥＴスイッチ１４を通じて３００Ｗの電力トポロジー１７に接続され、前記スタンバイトポロジー３がスタンバイ電流センサー７と負荷検出回路６を通じて負荷５に接続され、前記２０Ｗの電力トポロジー１５、８０Ｗの電力トポロジー１６、３００Ｗの電力トポロジー１７が第１の電流センサー１８、第２の電流センサー１９、第３の電流センサー２０を通じて負荷５に各々接続され、前記スタンバイ電流センサー７の出力と前記動作電流センサーの出力と前記負荷検出回路６の出力が前記マイクロコントローラ４の入力に各々接続され、前記マイクロコントローラ４の出力が複数の前記ＭＯＳＦＥＴスイッチの各入力に接続されている。前記マイクロコントローラ４の出力が更にＬＥＤ状態表示灯８とファン９に接続され、温度検出器１０の出力が前記マイクロコントローラ４の入力に接続されている。前記負荷５がリップル検出回路１１を通じて前記マイクロコントローラ４の入力に接続されている。前記マイクロコントローラ４は、前記スタンバイトポロジー３から動作電源を得る。前記マイクロコントローラ４は、負荷電流を検出することでどの電力トポロジーを選択するかを判断し、ＭＯＳＦＥＴスイッチを介して選択した電力トポロジーに導通すると共に他の電力トポロジーをオフにする。前記マイクロコントローラ４は、前記温度検出器１０のデータを受信し、現在の電力トポロジーと組み合わせてファン９に給電するかを判断すると共に前記ファン９の回転速度を決定する。さらに、前記マイクロコントローラ４は、電流の検出により電源供給ラインの温度条件を決定し、アラームを発して処置を施すことができる。前記マイクロコントローラ４は、現在の電源動作状態を監視して前記ＬＥＤ状態表示灯８を制御して現在の動作状態を表示して需要家に知らせる。例えば、緑色灯で正常状態、つまり現在の電力トポロジーにより予め設定された電流範囲と電圧範囲を超えず、またデフォルト論理に入っていることを示す。更に複数の前記ＬＥＤ状態表示灯８で現在の電力トポロジーを表示でき、いずれかの電力トポロジーが動作している時、対応する前記ＬＥＤ状態表示灯８が点灯する。前記マイクロコントローラ４は、現在の電力トポロジーの出力電圧リップルを監視し、合理的なリップルと不合理的なリップルをレポートすると共にデフォルト論理に入り、また現在の電源の動作温度を監視して表示灯で表示すると共にデフォルト論理に入る。
【００１１】
本実施形態の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置の前記ブリッジ整流器１を電源に繋いだ後、前記スタンバイトポロジー３は、動作が開始して前記マイクロコントローラ４に微小電流を供給し、本実施形態では３６Ｖ ＤＣを出力できる。前記電力トポロジーは、それぞれ２０Ｗの電力トポロジー１５、８０Ｗの電力トポロジー１６及び３００Ｗの電力トポロジー１７である。設計によると、スタンバイ状態の電流は０．０１４Ａ〜０．０２０Ａ（わずか０．５Ｗ）である。前記負荷５が２０Ｗの時の臨界電流は０．５５６Ａであり、前記負荷５が８０Ｗの時の臨界電流は２．２２２Ａであり、前記負荷５が３００Ｗの時の臨界電流は８．３３３Ａである。
【００１２】
起動後数分で、前記マイクロコントローラ４は、自動的に前記負荷５を３００Ｗの電力トポロジー１７に接続し、前記負荷５の電流が２．２２２Ａ〜８．３３３Ａにあるかを検出する。前記範囲にある場合、前記電力トポロジーを変更せず前記ＬＥＤ状態表示灯８にレポートする。電流が２．１７８Ａ（２．２２２Ａ＊９８％）未満に下がった場合、前記マイクロコントローラ４は、前記負荷５を８０Ｗの電力トポロジー１６に切り替えて接続するよう制御する。電流が０．５４５Ａ（０．５５６Ａ＊９８％）未満に下がった場合、前記マイクロコントローラ４は、前記負荷５を２０Ｗの電力トポロジー１５に切り替えて接続するよう制御する。電流が０．０１８Ａ（０．０２０Ａ＊９０％）未満に下がった場合、前記マイクロコントローラ４は、前記負荷５をスタンバイ状態に入れて全てのＭＯＳＦＥＴスイッチをオフにするよう制御する。逆に、前記マイクロコントローラ４は、前記スタンバイトポロジー３で動作する前記負荷５を監視し、電流が０．０１８Ａを超えたことを検出した場合、前記負荷５を最大出力の電力トポロジーに切り替えるよう制御し、そして出力の大きい方から小さい方へ電力トポロジーを選択するプロセスを繰り返す。前記マイクロコントローラ４は、２０Ｗの電力トポロジー１５で動作する前記負荷５を監視し、電流が０．５４５Ａを超えたことを検出した場合、前記負荷５を３００Ｗの電力トポロジー１７に切り替えるよう制御し、そして出力の大きい方から小さい方へ電力トポロジーを選択するプロセスを繰り返す。出力の大きい方へ切り替わる度に、まず最大の電力トポロジーに切り替わり、そして出力の大きい方から小さい方へと効率が最高になる電力トポロジーを選択する。現在の電力トポロジーからターゲット電力トポロジーへ切り替わる時、前記マイクロコントローラ４は、まずターゲット電力トポロジーのＭＯＳＦＥＴスイッチをオンにするよう制御し、前記負荷５をターゲット電力トポロジーに接続し、その後現在の電力トポロジーのＭＯＳＦＥＴスイッチをオフにする。前記マイクロコントローラ４により、切替頻度が非常に速く、且つ上下に絶え間なく往復していることが検出された場合、これは需要家の合理的な負荷変化ではなく、システム故障であるため、前記マイクロコントローラ４は、全ての電力トポロジーをオフにしてアラームを前記ＬＥＤ状態表示灯８に発する。前記負荷５の変化に伴い、電源は効率が８０％を超える範囲で平滑曲線になるよう終始動作できる（図２の３つ曲線の頂部を参照）。
【００１３】
本発明の知能型多段電力変換のスイッチング電源装置は、家庭用ＬＥＤ照明と１００ｍ２未満の範囲にある商業用ＬＥＤ照明に完璧な電源を供給できる。複数の小さなＬＥＤ照明エリアを駆動させることもできるため、１００ｍ２より広い範囲にある商業用ＬＥＤ照明に完璧な電源を供給できる。前記負荷５の電力が大幅に変化（実際は電流の大きさの変化）したとしても、電源の効率は大幅に低下することなく、現在の負荷状況に応じて最高効率を有する電力トポロジーを選択する。
【００１４】
その他のいくつかの実施形態において、具体的状況と実際のニーズにより、前記電力トポロジーは２個以上とすることができ、またいずれの電力トポロジーも本発明の上記目的を達成できる。
【符号の説明】
【００１５】
１  ブリッジ整流器
２  ＥＭＩフィルタ
３  スタンバイトポロジー
４  マイクロコントローラ
５  負荷
６  負荷検出回路
７  スタンバイ電流センサー
８  ＬＥＤ状態表示灯
９  ファン
１０  温度検出器
１１  リップル検出回路
１２  第１のＭＯＳＦＥＴスイッチ
１３  第２のＭＯＳＦＥＴスイッチ
１４  第３のＭＯＳＦＥＴスイッチ
１５  ２０Ｗの電力トポロジー
１６  ８０Ｗの電力トポロジー
１７  ３００Ｗの電力トポロジー
１８  第１の電流センサー
１９  第２の電流センサー
２０  第３の電流センサー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【外国語明細書】
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