(57)【要約】【課題】パソコンなどデジタル電子機器に使用されているＡＣアダプタはコンデンサインプット整流による高調波電流が電源供給の障害なり問題になっている。力率改善回路を新たに追加するのでなく、力率を悪くしている平滑用電解コンデンサを取除くことで、変換効率を悪化することなく、力率改善を可能にしたスイッチング電源を提供する。【解決手段】入力整流直後に平滑目的の電解コンデンサを取除き、その代わりに電圧保持用コンデンサを備え、この電圧保持用コンデンサの充電は入力電源より直接充電しないことで力率改善を可能にした。この電圧保持用コンデンサの充電は出力電圧供給用スイッチトランスの充電巻線より、設定された充電時間のみ充電することで出力リップル電圧を悪化させることなく、瞬時停電時の出力電圧保持も可能にした。【効果】コンデンサインプット方式スイッチング電源に比較して、力率は、０．５程度から０．８以上に改善できる。効率も、８２％程から８４％程に改善できる。１次電解コンデンサの大きさは４分１程度の体積に小型化できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧を直流電圧に変換する電源回路において、整流回路とダイオードとコンデンサとトランスと半導体スイッチと制御回路を備え、前記ダイオードと前記コンデンサは直列接続し、前記コンデンサは半導体スイッチを経由して前記トランスに接続したスイッチング電源回路。
【請求項２】
入力巻線と出力巻線と充電巻線を備えたトランスを備え、入力巻線と充電巻線の間にコンデンサを接続した請求項１のスイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パソコンなどに使用されるスイッチング電源回路、特に、入力許容電圧、例えば、１００Ｖ〜２４０Ｖが広く、世界各国の商用電源に対応できるＡＣアダプタなどのスイッチング電源回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図２に示す通り、交流電源１２がダイオードブリッジの整流回路１３の交流端子に接続している。整流回路１３の直流端子に１次側平滑のコンデンサ１４が接続している。コンデンサ１４の端子は半導体スイッチ１５を経由してトランス１６に接続している。トランス１６の出力巻線はダイオード９を経由してコンデンサ１８に接続している。コンデンサ１８の端子に負荷１９を接続している。
【０００３】
交流電源１２の電圧を整流回路１３で整流してコンデンサ１４で平滑して、半導体スイッチ１５で高周波数（例えば１００ｋＨｚ）の制御されたパルス幅の交流電圧に変換する。この交流電圧をトランス１６で電圧変換して、ダイオード１７とコンデンサ１８で直流電圧に整流平滑して、負荷１９に出力電圧を供給する。出力電圧を検知して制御回路で半導体スイッチ１５の開閉パルス幅を制御することで、出力電圧は安定した直流電圧を得ることができる。
【０００４】
図２の従来回路では、コンデンサインプット整流方式を採用しているためにコンデンサ１４の電圧が、入力の交流電源１２の尖頭電圧に近い電圧が印加されている。交流電源１２の電圧が上限値の２６４Ｖのときは、コンデンサ１２の電圧は３７０Ｖであり、コンデンサ１４は、４００Ｖ以上の耐圧定格品が必要である。
コンデンサ１４の必要容量は、最大負荷容量と交流電源１２の電圧によって決定される。負荷１９の容量が５０Ｗの場合、交流電源１２の電圧下限値の９０Ｖを考慮して、１００μＦ以上の電解コンデンサを採用する。交流電源１２の電圧上限値が１２０Ｖであれば、コンデンサ１４の最高印加電圧は、１７０Ｖで、２００Ｖ耐圧品で十分である。４００Ｖ１００μＦの電解コンデンサの大きさは、１８φ×３５．５ｍｍ＝９．０３ｃｍ３（立方センチメータ）であるのに対して、２００Ｖ１００μＦの電解コンデンサは、１６φ×２５ｍｍ＝５．０３ｃｍ３で、５６％の体積である。
【０００５】
この対策の従来例として、特開平１−２０６８７２号公報に開示されている。このスイッチング電源回路では、コンデンサの電圧は交流電源の電圧変動に関係なく、出力電圧に比例して安定しているが、「出力電圧のリップル電圧が大きい」と「停電時の出力電圧保持時間が短い」の２つの大きな欠点があった。このため、実際には採用されていない。
この２つの欠点の原因は、電圧保持用コンデンサの電圧より整流回路の直流電圧が低いときは、電圧保持用コンデンサがダイオードを経由して放電するために電圧が低下する。電圧保持用コンデンサの電圧と出力電圧は比例しているために、出力電圧も低下する。この結果、「出力電圧のリップル電圧が大きい」と「停電時の出力電圧保持時間が短い」の２つの欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図２のコンデンサインプット整流方式は、「１次側平滑コンデンサが大きい」と「突入電流が大きい」と「高調波電流が多い」の３つ欠点があった。
前記に述べた通り、特開平１−２０６８７２号公報は、電圧保持用コンデンサに直列にダイオードを接続することで、この３つの欠点を解決したが、「出力電圧のリップル電圧が大きい」と「停電時の出力電圧保持時間が短い」の２つの欠点があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、図２従来の「１次側平滑コンデンサが大きい」と「突入電流が大きい」と「高調波電流が多い」の３つ欠点を改善したところの、特開平１−２０６８７２号公報の特徴を生かしつつ、半導体スイッチを追加することで、「出力電圧のリップル電圧が大きい」と「停電時の出力電圧保持時間が短い」の２つの欠点を無くすものである。追加する半導体スイッチにより、電圧保持用コンデンサに充電時間と放電時間を分割して、放電時間に電圧保持用コンデンサへの充電電流を停止させることで、このときの充電電流エネルギーも出力に供給することで出力電圧低下を防ぐものである。
【０００８】
電圧保持用コンデンサの電圧より整流回路の直流端子間電圧が高いときは、半導体スイッチを閉することで電圧保持用コンデンサを充電する。電圧保持用コンデンサ電圧より整流回路の直流端子間電圧が低いときは、ダイオードを経由して電力を供給（放電）する。このとき、半導体スイッチを開することで、トランスの電圧は保持用コンデンサの電圧値に左右されないため、出力に十分電力を供給できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のスイッチング電源回路の実施例を示す。
【実施例】
交流電源１はダイオードブリッジの整流回路２の交流端子に接続する。整流回路２の直流端子は半導体スイッチ７を経由してトランス８の入力巻線に接続するとともに、ダイオード３を経由してコンデンサ５に接続する。トランス８の出力巻線はダイオード９を経由してコンデンサ１０に接続する。コンデンサ１０の端子間に負荷１１を接続する。トランス８の充電巻線はダイオード４と半導体スイッチ６を経由してコンデンサ５に接続する。
【００１０】
図１の動作を説明する。
コンデンサ５の電圧と整流回路２の直流端子間電圧を比較して、コンデンサ５電圧が低いときは、半導体スイッチ６を閉にする。コンデンサ５電圧が高いときは、半導体スイッチ６を開にする。負荷１１の電圧を検知して基準電圧と比較して不帰還増幅制御で出力電圧が一定になるように、半導体スイッチ７の開閉時間をパルス幅制御する。
【００１１】
半導体スイッチ７を閉にすると、コンデンサ５電圧と整流回路２の直流端子間電圧のいずれか高い電圧が、トランス８の入力巻線に印加される。トランス８の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード９で阻止され、充電巻線の電圧もダイオード４で阻止される。このため、トランス８の入力巻線に励磁電流が流れる。その後、半導体スイッチ７を開にすると、トランス８は電流が流れ続けようとするため、巻終り側が正電位になる逆起電力が発生して、ダイオード９を通して、コンデンサ１０を充電し、負荷１１に電力を供給する。
【００１２】
コンデンサ５の電圧より整流回路２の直流端子間電圧が高い場合。
整流回路の直流端子間電圧はダイオード３で阻止されてコンデンサ５を直接充電できない。このため、入力投入時、突入電流が流れることはない。半導体スイッチ７を閉にすると、整流回路２の直流端子間電圧がトランス８の入力巻線に印加される。トランス８の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード９で阻止され、充電巻線の電圧もダイオード４で阻止される。トランス８の入力巻線に励磁電流が流れる。その後、半導体スイッチ７を開にすると、逆起電力が発生、トランス８の電流は流れ続けようと、出力巻線よりダイオード９を通してコンデンサ１０を充電すると同時に、充電巻線よりダイオード４と半導体スイッチ６を経由してコンデンサ５も充電する。
【００１３】
コンデンサ５の電圧より整流回路２の直流端子間電圧が低い場合。
半導体スイッチ７が閉すると、コンデンサ５の電圧がダイオード３を経由して、トランス８の入力巻線に印加される。トランス８の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード９で阻止され、充電巻線の電圧もダイオード４で阻止される。このため、トランス８の入力巻線に励磁電流が流れる。その後、半導体スイッチ７を開にすると、逆起電力が発生、トランス８の電流は流れ続けようと、出力巻線よりダイオード９を通してコンデンサ１０を充電する。しかし、このとき、半導体スイッチ６が開しているため、コンデンサ５は充電しない。コンデンサ５の電圧が低くても、コンデンサ５の電圧に左右されずに、コンデンサ１０を充電する。負荷３３の電圧は設定された電圧に安定している。
このとき、コンデンサ５の電圧が低い状態で、半導体スイッチ６が閉していると、トランス８の電流は、ダイオード４と半導体スイッチ６を通して、電圧の低いコンデンサ５に流れるために、コンデンサ１０を充電しない。
【００１４】
図１は、フライバックコンバータの回路構成であるが、他に、図３のフォアードコンバータの回路構成も同様な効果がある。図３について説明する。
交流電源２０はダイオードブリッジの整流回路２１の交流端子に接続する。整流回路２１の直流端子は半導体スイッチ２８を経由してトランス２９の入力巻線に接続するとともに、ダイオード２２を経由してコンデンサ２３にも接続する。トランス２９の出力巻線はダイオード３０とインダクタ２７の出力巻線を経由してコンデンサ３２に接続する。ダイオード３０とインダクタ２７の接続点に転流用のダイオード３１を接続する。コンデンサ３２の端子間に負荷３３を接続する。トランス２９の充電巻線はダイオード２６とインダクタ２７の充電巻線と半導体スイッチ２４を経由してコンデンサ２３に接続する。ダイオード２６とインダクタ２７の接続点に転流用のダイオード２５を接続する。
【００１５】
図３の動作を説明する。
図１と同様に、コンデンサ２３の電圧と整流回路２１の直流端子間電圧を比較して、コンデンサ２３の電圧が低いときは、半導体スイッチ２４を閉にする。コンデンサ２３の電圧が高いときは、半導体スイッチ２４を開にする。負荷３３の電圧を検知して基準電圧と比較して不帰還増幅制御で出力電圧が一定になるように、半導体スイッチ２８の開閉時間をパルス幅で制御する。
【００１６】
半導体スイッチ２８を閉にすると、コンデンサ２３の電圧と整流回路２１の直流端子間電圧のいずれか高い電圧が、トランス２９の入力巻線に印加される。トランス８の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード３０を経由して、インダクタ２７とコンデンサ３２に分圧印加する。トランス２９の出力巻線電圧とコンデンサ３２の電圧との差電圧がインダクタ２７の出力巻線に印加される。
【００１７】
その後、半導体スイッチ２８を開にすると、トランス２９の出力巻線電圧はダイオード３０で阻止される。トランス２９の充電巻線電圧はダイオード２６で阻止される。インダクタ２７に流れていた電流は減少しながらも流れ続けるため、インダクタ２７の出力巻線の巻始め側（点マーク）が正電位になる逆起電力が発生して、ダイオード３１を通して電流が転流されて、コンデンサ３２を充電し、負荷３３に電力を供給する。
【００１８】
コンデンサ２３の電圧より整流回路２１の直流端子間電圧が高い場合。
整流回路の直流端子間電圧はダイオード２２で阻止されてコンデンサ２３を直接充電することはない。半導体スイッチ２８を閉にすると、整流回路２１の直流端子間電圧がトランス２９の入力巻線に印加される。トランス２９の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード３０を経由して、インダクタ２７とコンデンサ３２に分圧印加する。トランス２９の充電巻線の電圧はダイオード２６を経由して、半導体スイッチ２４を経由して、インダクタ２７の充電巻線とコンデンサ２３に分圧印加する。
【００１９】
トランス２９の出力巻線電圧とコンデンサ３２の電圧との差電圧がインダクタ２７の出力巻線に印加される。トランス２９の充電巻線電圧とコンデンサ２３の電圧との差電圧がインダクタ２７の充電巻線に印加される。この時間にインダクタ２７の電流は増加する。
その後、半導体スイッチ２８を開にすると、インダクタ２７では電流を流し続けようと逆起電力が発生、インダクタ２７の出力巻線よりダイオード３１を経由してコンデンサ３２を充電するとともに、インダクタ２７の充電巻線よりダイオード２５と半導体スイッチ２４を経由してコンデンサ２３を充電する。
【００２０】
トランス２９の「出力巻線数：充電巻線数」の比率と、インダクタ２７の「出力巻線数：充電巻線数」の比率は近似値であるため、コンデンサ３２とコンデンサ２３の電圧は比例している。つまり、コンデンサ２３の電圧は、交流電源の電圧変動に左右されずに、コンデンサ２３の電圧は、コンデンサ３２の電圧と、「出力巻線数：充電巻線数」の比率に比例して安定している。
コンデンサ２３の電圧より整流回路２１の直流端子間電圧が低い場合。
半導体スイッチ２８を閉にすると、コンデンサ２３の電圧がダイオード２２を経由してトランス２９の入力巻線に印加される。トランス２９の巻始め（点印）側が正電位であり、出力巻線の電圧はダイオード３０を経由して、インダクタ２７とコンデンサ３２に分圧印加する。トランス２９の充電巻線の電圧は、半導体スイッチ２４が開しているためコンデンサ２３には電力を供給しない。
【００２１】
トランス２９の出力巻線電圧とコンデンサ３２の電圧との差電圧がインダクタ２７の出力巻線に印加される。この時間にインダクタ２７の電流は増加する。
その後、半導体スイッチ２８を開にすると、インダクタ２７では電流を流し続けようと逆起電力が発生、インダクタ２７の出力巻線よりダイオード３１を経由してコンデンサ３２を充電する。半導体スイッチ２４が開しているため、コンデンサ２３の電圧に左右されず、インダクタ２７の電流はコンデンサ３２を充電する。インダクタ２７から十分な電力が供給するため、負荷３３の電圧は設定された電圧に安定している。
インダクタ２７の充電巻線に電流が流れているときに、半導体スイッチ２４が開しても、インダクタ２７の充電巻線に流れていた電流エネルギーはインダクタ２７の出力巻線に加わり、ダイオード３１を通して転流する。
【００２２】
図３の場合、フォアードコンバータ回路構成であるため、半導体スイッチ２８の開閉時間率は５０％以下で制御する。半導体スイッチ２８の開閉時間率が５０％以上になるとトランス２９が飽和して過大電流が流れる。
次に、本発明図４の動作を図５で説明する。
図４の回路構成は、交流電源３４はノイズフィルタ回路３５を経由して、整流回路３６の交流端子に接続する。整流回路３６の直流端子は半導体スイッチ４３を経由してトランス４６の入力巻線５１に接続するとともに、ダイオード３８を経由してコンデンサ３９に接続する。
【００２３】
トランス４６の出力巻線５２はダイオード４７を経由してコンデンサ４８に接続する。コンデンサ４８の端子間に負荷５０を接続するとともに、制御回路４９を接続する。トランス４６の充電巻線５３はダイオード４４と半導体スイッチ４２を経由してコンデンサ３９に接続する。制御回路４０は半導体スイッチ４２の開閉を制御できるように接続する。制御回路４１は半導体スイッチ４３の開閉を制御できるように接続する。コンデンサ３７は整流回路３６の直流端子間に接続する。コンデンサ４５は半導体スイッチ４３のドレイン端子（トランス４６の入力巻線５１）とダイオード４４のアノード端子（トランス４６の充電巻線５３）との間に接続する。
制御回路４９の消費電力は出力電圧より供給する。通称シャントレギュレータと呼ばれる集積回路を使用のが一般的である。制御回路４１の消費電力はトランス４６に補助巻線を設けてトランス４６より供給する。制御回路４１と制御回路４９の信号接続には、通称フォトカプラと呼ばれる絶縁機能を備えた部品で制御信号を接続する方法が一般的である。
【００２４】
コンデンサ３９の電圧とコンデンサ３７の電圧を制御回路４０で比較して、コンデンサ３７電圧が高いときは、半導体スイッチ４２を閉にする。コンデンサ３７電圧が低いときは、半導体スイッチ４２を開にする。
図５の波形５４はコンデンサ３７の端子間電圧を示す。図５の波形５５はダイオード３８とコンデンサ３９がない場合の整流回路３６の全波整流電圧を示す。図５の波形５６は半導体スイッチ４２のゲート電圧を示す。図５の波形５７は負荷５０の電圧を示す。図５の波形５８は半導体スイッチ４２がない場合（特開平１−２０６８７２号公報）の負荷５０電圧を示す。図５の時間５９は停電時の出力電圧保持時間を示す。
【００２５】
制御回路４０の比較判別電圧は、それほど正確でなくて良い。コンデンサ３７の電圧が低下して、コンデンサ３９の電圧より低くなる前に、半導体スイッチ４２を開させて、コンデンサ３７の電圧が上昇して、コンデンサ３９の電圧より高くなった後に、半導体スイッチ４２を閉させればよい。例えば、交流電源電圧が１００Ｖで電圧保持用コンデンサ３９の電圧が８０Ｖのとき、整流回路３６の直流端子間電圧は、０Ｖから約１４０Ｖ（１００Ｖの尖頭電圧値）まで変化している。ダイオード３８の端子間電圧は、順方向電圧の約−１Ｖから６０Ｖまで（コンデンサ３７の電圧で７９Ｖ〜１４０Ｖ）変化している。このダイオード３８の端子間電圧を検知する場合、０Ｖから２０Ｖ程度（コンデンサ３７の電圧で８０Ｖ〜１００Ｖ）の任意の電圧で、半導体スイッチ４２の開閉を判別すれば十分機能を満足できる。
【００２６】
トランス４６の入力巻線５１と充電巻線５３の間に接続しているコンデンサ４５は、本発明の機能に直接働いていない。コンデンサ４５を接続した場合、半導体スイッチ４３が閉すると、励磁電流は入力巻線５１に流れるだけでなく、コンデンサ４５を通して充電巻線５３にも分流される。半導体スイッチ４３が開すると、充電電流は充電巻線５３だけでなく、入力巻線５１にもコンデンサ４５を経由して分流されるため、トランス４６の銅損は電流二乗抵抗積（Ｉ＾２＊Ｒ）で損失が発生するため、各巻線の実効電流が少なくなり損失が軽減できる。また、半導体スイッチ４３の開時に印加されるリンギングピーク電圧をクランプできるので、半導体スイッチ４３の負担も軽減できる。
【００２７】
コンデンサ４５の値は、半導体スイッチ４３の動作周波数が、５０ｋＨｚの場合で、０．０１μＦ程度が良い。１０００ｐＦ以下値では、分流による効率改善効果が少ない。０．１μＦ以上では、出力に低周波リップル電圧が増える。
本発明の図１では、半導体スイッチ６がダイオード４と電圧保持用コンデンサ５の間に接続しているが、トランス８の充電巻線と電圧保持用コンデンサ５の間に接続すれば良い。例えば、トランス８の充電巻線の巻始め（点マーク）側に接続しても良い。ダイオード４と半導体スイッチ６の接続順番は逆でも良い。
ダイオード３と電圧保持用コンデンサ５の接続順番も逆でも本発明の機能は満足できる。
整流回路２はダイオードブリッジ構成でなくても、例えば、１つダイオードのみの半波整流でも機能は満足できる。
【００２８】
図６の通り、コンデンサ６０とインダクタ６１を備えることで、充電巻線（図１のトランス８）の代用が可能である。
図４の制御回路４９は出力電圧を一定に制御しているが、この制御応答速度を電源の周期より長い時間に設定すれば、電源周波数の半周期内で、半導体スイッチ４３の開閉時間比（パルス幅）が変化せずに、ほぼ一定になるため、電源電圧に近い電流波形（電源電圧波形に比例した）にできる。これにより、入力部の力率は、さらに改善でき高調波電流を減らせる。ただし、この場合、電源周波数の２倍周波数の低周波リップル電圧が増える。
図４の制御回路４１に、力率改善制御用の集積回路を採用して制御（入力電流を検知して電源電圧の比例値に制御）すれば、さらに、力率を改善でき高調波電流を減らせる。ＰＦＣ（力率改善回路）を追加しなくても、同様の効果を発揮できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明は、整流回路の直流端子にコンデンサを直接接続していないので、入力投入時に突入電流は流れない。本発明回路は電圧保持用コンデンサ電圧値より高い時間に入力電流が流れる方式であり、その電流も制御できるので入力部の力率も良く高調波電流が少ない。力率が改善したことで入力の実効電流が少なくなり、入力部ノイズフィルタ用コモンモートチョークコイルなどの損失が軽減されることで効率も改善できる。
【００３０】
従来方式の力率は、０．５程度であったのに比較して、本発明の試作品は、０．８以上であった。入力実効電流は、従来の６２％、入力部チョークコイルなどの損失は、４０％（６０％軽減）になった。これにより、効率も８２％から２％改善され８４％になった。力率改善制御用の集積回路を採用して入力電流を検知して電源電圧の比例値に制御すれば、力率０．９以上も可能である。
電圧保持用コンデンサの大きさは、容量を２２０μＦに増やしても１００Ｖ品が使用できるため、従来の１８φ×３５．５ｍｍ＝９．０３ｃｍ３（４００Ｖ１００μＦ）に比較して、１００Ｖ２２０μＦの電解コンデンサの大きさは、１２．５φ×２０ｍｍ＝２．４５ｃｍ３で２７％の体積（約１／４）に小型化できる。
半導体スイッチの追加により、特開平１−２０６８７２号公報の２つ欠点はなくなり、「出力電圧のリップル電圧」と「停電時の出力電圧保持時間」も、従来のコンデンサインプット方式に比較して、同様以上の性能で実用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による基本回路図である。
【図２】従来の基本回路図である。
【図３】本発明による回路図である。
【図４】本発明実施例の回路図である。
【図５】本発明の動作説明チャート図である。
【図６】本発明による回路図である。
【符号の説明】
１：交流電源                    ２：整流回路
３、４：ダイオード              ５：コンデンサ
６、７：半導体スイッチ          ８：トランス
９：ダイオード                  １０：コンデンサ
１１：負荷                      １２：交流電源
１３：整流回路                  １４：コンデンサ
１５：半導体スイッチ            １６：トランス
１７：ダイオード                １８：コンデンサ
１９：負荷                      ２０：交流電源
２１：整流回路                  ２２：ダイオード
２３：コンデンサ                ２４：半導体スイッチ
２５，２６：ダイオード          ２７：インダクタ
２８：半導体スイッチ            ２９：トランス
３０、３１：ダイオード          ３２：電解コンデンサ
３３：負荷                      ３４：交流電源
３５：フィルタ回路              ３６：整流回路
３７：コンデンサ                ３８：ダイオード
３９：コンデンサ                ４０、４１：制御回路
４２、４３：半導体スイッチ      ４４：ダイオード
４５：コンデンサ                ４６：トランス
４７：ダイオード                ４８：コンデンサ
４９：制御回路                  ５０：負荷
５１：入力巻線                  ５２：出力巻線
５３：充電巻線                  ５４、５５、５６、５７、５８：波形
５９：時間                      ６０：コンデンサ
６１：インダクタ
【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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