(57)【要約】【課題】  高力率形スイッチング電源装置（PFC）において、昇圧チョークを小型化・低コスト化し、且つ、昇圧チョークと半導体によって発生する装置の損失低減を達成する。【解決手段】  本発明に係るスイッチング電源装置は、臨界モードPFCをマルチレベル方式にすることによって、昇圧チョークに加わる電圧の変化分を低減して鉄損を減らし、半導体に加わる電圧を低く抑えることで半導体の損失を低減し、装置の小型化・低コスト化と高効率化を達成することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源を入力とし、直流電圧を出力するコンバータであり、上記直流電圧出力の正負極間に２つ直列接続された平滑用コンデンサと４つ直列接続されたスイッチ素子を並列接続し、上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの中間点から上記４つ直列接続されたスイッチ素子の一番正極側のスイッチ素子の負極端へ整流ダイオードを接続し、上記４つ直列接続されたスイッチ素子の一番負極側のスイッチ素子の正極端から上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの中間点へ整流ダイオードを接続することでマルチレベルのアームを構成し、上記直流電圧出力の正負極間に２つ直列接続された整流ダイオードを並列接続し、上記高域阻止フィルタを介した上記交流電源に電流検出素子と昇圧チョークを直列接続したものを、上記マルチレベルのアームの中間点と上記２つ直列接続された整流ダイオードの中間点に接続したマルチレベルコンバータを備えたスイッチング電源装置において、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
上記昇圧チョークは電圧を検出する巻線を備え、上記昇圧チョークの励磁がリセットされたタイミングを上記交流電源の電圧が正負の期間に渡って検出する請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの各電圧と上記交流電源の電圧を比較し、4つの状態に分けて上記４つ直列接続されたスイッチ素子を制御する請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電源を入力とする高力率形スイッチング電源装置（以下PFC）の改善に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のPFCとして図３、図５、図７に示すような回路方式がある。図３は１石式の臨界モードPFCで、図５は２石式の連続モードPFCで、図７は連続モード・マルチレベル方式のPFCである。図３の１石式の臨界モードPFCは比較的小さな出力容量に向いており、図５の２石式の連続モードPFCは大きな出力容量に向いている。図７の連続モード・マルチレベル方式のPFCは、入力フィルタの小型化・低コスト化と高効率化を図るものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、大きな出力容量で装置の小型化・低コスト化と高い効率を実現するには、これらの回路方式ではそれぞれ問題がある。図３の臨界モードPFCで大きな電力を出力する場合、導通損による効率の低下という問題がある。図５の連続モードPFCで昇圧チョークを小型化するためにはスイッチング周波数を上げる必要があり、スイッチング損による効率の低下という問題がある。図７の連続モード・マルチレベル方式のPFCは、電流実効値が小さくでき大容量で高効率を実現できるが、臨界モードと比較するとL値が大きく、整流側のスイッチ素子のアームが必要であるため双方向コンバータに向いている回路方式である。
【０００４】
本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、昇圧チョークを小型化・低コスト化し、且つ、昇圧チョークと半導体によって発生する装置の損失低減を達成することのできるスイッチング電源装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記した目的を達成するため、本発明は、交流電源を入力とし、直流電圧を出力するコンバータであり、上記直流電圧出力の正負極間に２つ直列接続された平滑用コンデンサと４つ直列接続されたスイッチ素子を並列接続し、上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの中間点から上記４つ直列接続されたスイッチ素子の一番正極側のスイッチ素子の負極端へ整流ダイオードを接続し、上記４つ直列接続されたスイッチ素子の一番負極側のスイッチ素子の正極端から上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの中間点へ整流ダイオードを接続することでマルチレベルのアームを構成し、上記直流電圧出力の正負極間に２つ直列接続された整流ダイオードを並列接続し、上記高域阻止フィルタを介した上記交流電源に電流検出素子と昇圧チョークを直列接続したものを、上記マルチレベルのアームの中間点と上記２つ直列接続された整流ダイオードの中間点に接続したマルチレベルコンバータを備えたスイッチング電源装置において、上記昇圧チョークの励磁がリセットされた後にオンが始まるように制御することを特徴とする。
【０００６】
そして、上記昇圧チョークは電圧を検出する巻線を備え、上記昇圧チョークの励磁がリセットされたタイミングを上記交流電源の電圧が正負の期間に渡って検出してもよく、また、上記２つ直列接続された平滑用コンデンサの各電圧と上記交流電源の電圧を比較し、4つの状態に分けて上記４つ直列接続されたスイッチ素子を制御してもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、昇圧チョークの小型化・低コスト化を達成し、且つ、半導体によって発生する損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１に本発明を実施するための回路図を示す。交流電源１を入力とし、電気的負荷８に直流電圧を出力するコンバータの構成となっている。
【０００９】
直流電圧出力の正負極間に２つ直列に接続された平滑用コンデンサ７と電気的負荷８と４つのスイッチ素子５のマルチレベルのアームと２つの整流ダイオード６が並列接続する。交流電源１は高域阻止フィルタ２を介し、一端は、電流検出素子３と昇圧チョーク４に接続する。昇圧チョーク４は、マルチレベルのアームの中間点に接続する。高域阻止フィルタ２のもう一端は、上記２つのスイッチ素子のアームの中間点に接続する。
【００１０】
直流出力電圧の検出信号と基準信号Vref１８の誤差分を電圧ループの誤差増幅器９により増幅・積分する。交流電源１の検出信号を絶対値演算回路１１で全波整流した信号と誤差増幅器９の信号を乗算回路１０で乗算することで交流入力電流の基準信号Irefを作る。２つの平滑用コンデンサ７のCout1、Cout2の電圧を差動増幅器１７で検出し、誤差増幅器９で差分をとり、増幅・積分し、加減算回路２４でIrefに減算する。
【００１１】
加算回路２３とゲイン−２倍の増幅回路２６とアナログスイッチ２５とNOT論理回路１３から成る極性切り替え回路２７によって、交流電源１の電圧の極性で加減算回路２４の信号の極性を変え、この信号と電流検出素子３によって検出した入力電流の全波整流信号をコンパレータ１２によって比較しRSラッチ回路１４のリセット信号とする。また、オンするタイミングは昇圧チョーク４の電圧検出巻線により検出する。
【００１２】
交流電源１の電圧極性の正負を検出し、正負の期間ごとに電圧検出巻線の電圧を分けて検出することで昇圧チョーク４の励磁のリセットを検出し、RSラッチ回路１４のセット信号とする。
【００１３】
図１０に交流電源１の大きさと昇圧チョーク４の状態による電流経路の解析結果を示す。図１０に示すように、２つの平滑用コンデンサ７のCout1、Cout2の各電圧と交流電源１の電圧をコンパレータ１２によって比較し、Vac<Cout2、Cout2＜Vac、−Cout1＜Vac、Vac＜−Cout1の4つのモードに分ける。RSラッチ回路１４の出力信号を４つのモードで切り替えることでQ1〜Q４をマルチレベル制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、臨界モード・マルチレベル方式により、昇圧チョークの小型化・低コスト化を達成する回路図である。
【図２】図１の回路の昇圧チョークの電流波形と電圧波形を示す図である。
【図３】従来例の１石式の臨界モードPFCの回路図である。
【図４】図３の臨界モードPFCの昇圧チョークの電流波形と電圧波形を示す図である。
【図５】従来例の２石式の連続モードPFCの回路図である。
【図６】図５の連続モードPFCの昇圧チョークの電流波形と電圧波形を示す図である。
【図７】従来例の連続モード・マルチレベル方式のPFCの回路図である。
【図８】図７の連続モード・マルチレベル方式のPFCの昇圧チョークの電流波形と電圧波形を示す図である。
【図９】本発明の臨界モード・マルチレベル方式と、従来の臨界モード、連続モード、連続モード・マルチレベル方式の電流波形と電圧波形を比較して示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置において、交流電源１の大きさと昇圧チョーク４の状態による電流経路の解析結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  交流電源
２  高域阻止フィルタ
３  電流検出素子
４  昇圧チョーク
５  スイッチ素子
６  整流ダイオード
７  平滑用コンデンサ
８  電気的負荷
９  誤差増幅器
１０  乗算回路
１１  絶対値演算回路
１２  コンパレータ
１３  NOT論理回路
１４  RSラッチ回路
１５  OR論理回路
１６  AND論理回路
１７  差動増幅器
１８  基準電圧Vref
１９  タイマー回路
２０  ディレイ遅延回路
２１  閾値を設定する為のVｔｈの電圧源
２２  閾値を設定する為の−Vｔｈの電圧源
２３  加算回路
２４  加減算回路
２５  アナログスイッチ
２６  増幅回路
２７  極性切り替え回路
２８  ブリッジダイオード
２９  電流検出抵抗
３０  のこぎり波発振器
３１  三角波発振器SAW1
３２  三角波発振器SAW2
３３  三角波発振器SAW3
３４  三角波発振器SAW4
【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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