(57)【要約】【課題】低廉かつ簡易な回路構成により、高効率及び高力率を達成することが可能な負荷駆動装置を提供する。【解決手段】負荷駆動装置１は、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２からなる第１直列回路と第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２からなる第２直列回路とを並列に接続した並列回路と、第１直列回路の中間点と第２直列回路の中間点との間に直列に接続される交流電源Ｖａｃ及び昇圧インダクタＬと、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオン／オフ動作させる制御手段２を備え、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期に第２スイッチ素子Ｑ２をオン／オフ動作させて第１スイッチ素子Ｑ１を休止し、入力電圧Ｖｉｎの負の半周期に第１スイッチ素子Ｑ１をオン／オフ動作させて第２スイッチ素子Ｑ２を休止することにより、整流及び昇圧並びに力率改善を実施する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
寄生ダイオードまたは外付けのダイオードを有する第１、第２スイッチ素子からなる第１直列回路と第１、第２コンデンサからなる第２直列回路とを並列に接続した並列回路と、
前記第１直列回路の中間点と前記第２直列回路の中間点との間に直列に接続される交流電源及び昇圧インダクタと、
前記交流電源の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、
前記昇圧インダクタに流れる入力電流を検出する入力電流検出回路と、
前記並列回路に接続される負荷に印加される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧の正の半周期に第２スイッチ素子をオン／オフ動作させて第１スイッチ素子を休止し、入力電圧の負の半周期に第１スイッチ素子をオン／オフ動作させて第２スイッチ素子を休止して整流動作を行うとともに、前記出力電圧検出回路で検出された出力電圧により第１、第２スイッチ素子を制御して昇圧動作を行い、かつ、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧と入力電流検出回路で検出された入力電流により第１，第２スイッチ素子を制御して力率改善動作を行う制御手段と、
を備える負荷駆動装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧と、前記入力電流検出回路で検出された入力電流と、前記出力電圧検出回路で検出された出力電圧とを入力して、ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成部と、
前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧を入力し、入力電圧の正の半周期に前記第２スイッチ素子をオン／オフ動作させる第２パルス信号を出力し、入力電圧の負の半周期に前記第１スイッチ素子をオン／オフ動作させる第１パルス信号を出力する入力電圧正負判定部と、
前記ＰＷＭ信号生成部からＰＷＭ信号を入力するとともに、前記入力電圧正負判定部から前記第２パルス信号が入力したときに前記第２スイッチ素子にドライブ信号を出力し、前記入力電圧正負判定部から前記第１パルス信号が入力したときに前記第１スイッチ素子にドライブ信号を出力するドライブ信号生成部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷駆動装置に関し、特に、整流手段と力率改善手段を有するＡＣ／ＤＣコンバータを備えた負荷駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ノートパソコン、液晶テレビ、プラズマテレビ、ゲーム機等のデジタル機器や家庭用娯楽機器用として、整流手段と力率改善手段を有するＡＣ／ＤＣコンバータを備えた負荷駆動装置（例えば、スイッチング電源装置）が広く利用されている。このようなＡＣ／ＤＣコンバータにおいて、整流手段及び力率改善手段は、一般に、４個のダイオードから構成される全波整流ブリッジと、昇圧コンバータ回路からなる力率改善（ＰＦＣ）回路により、２段で構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−９９４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述したようなＡＣ／ＤＣコンバータ回路には、４個のダイオードからなる全波整流ブリッジを使用することから、ダイオードの電圧ドロップ分の損失があり、効率が低いという問題があった。さらに、全波整流ブリッジとＰＦＣ回路とを２段で構成するため、部品点数が増大し、ひいては、コストの増大及び信頼性の低下が生じるという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、低廉かつ簡易な回路構成により、高効率及び高力率を達成することが可能な負荷駆動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】
【０００６】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【０００７】
（１）寄生ダイオードまたは外付けのダイオードを有する第１、第２スイッチ素子からなる第１直列回路と第１、第２コンデンサからなる第２直列回路とを並列に接続した並列回路と、前記第１直列回路の中間点と前記第２直列回路の中間点との間に直列に接続される交流電源及び昇圧インダクタと、前記交流電源の入力電圧を検出する入力電圧検出回路と、前記昇圧インダクタに流れる入力電流を検出する入力電流検出回路と、前記並列回路に接続される負荷に印加される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧の正の半周期に第２スイッチ素子をオン／オフ動作させて第１スイッチ素子を休止し、入力電圧の負の半周期に第１スイッチ素子をオン／オフ動作させて第２スイッチ素子を休止して整流動作を行うとともに、前記出力電圧検出回路で検出された出力電圧により第１、第２スイッチ素子を制御して昇圧動作を行い、かつ、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧と入力電流検出回路で検出された入力電流により第１，第２スイッチ素子を制御して力率改善動作を行う制御手段と、を備える負荷駆動装置（請求項１）。
【０００８】
（２）（１）項に記載の負荷駆動装置において、前記制御手段は、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧と、前記入力電流検出回路で検出された入力電流と、前記出力電圧検出回路で検出された出力電圧とを入力して、ＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成部と、前記入力電圧検出回路で検出された入力電圧を入力し、入力電圧の正の半周期に前記第２スイッチ素子をオン／オフ動作させる第２パルス信号を出力し、入力電圧の負の半周期に前記第１スイッチ素子をオン／オフ動作させる第１パルス信号を出力する入力電圧正負判定部と、前記ＰＷＭ信号生成部からＰＷＭ信号を入力するとともに、前記入力電圧正負判定部から前記第２パルス信号が入力したときに前記第２スイッチ素子にドライブ信号を出力し、前記入力電圧正負判定部から前記第１パルス信号が入力したときに前記第１スイッチ素子にドライブ信号を出力するドライブ信号生成部と、を備えることを特徴とする負荷駆動装置（請求項２）。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る負荷駆動装置は、以上のように構成したため、４個のダイオードから構成される全波整流ブリッジが不要な簡易な回路構成となるため、負荷駆動装置のコストの低減及び信頼性の向上を実現することが可能となるとともに、ダイオードによるドロップ損失が無くなり、負荷駆動装置の高効率化かつ高力率化を達成することができる。この効果は、第１、第２スイッチ素子が有するダイオードを寄生ダイオードとすることによって、さらに顕著なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態における負荷駆動装置を示す回路構成図である。
【図２】図１に示す負荷駆動装置の制御手段の構成例を示すブロック図である。
【図３】（ａ）は、図１に示す負荷駆動装置の要部の動作波形を示すタイミングチャートであり、（ｂ）は、（ａ）に示すＡ部を時間方向に拡大して示す図である。
【図４】図１に示す負荷駆動装置の昇圧コンバータ回路としての機能を示す等価回路図であり、（ａ）は、入力電圧の正の半周期を示す図、（ｂ）は入力電圧の負の半周期を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における負荷駆動装置の一例を示す回路構成図である。
図１に示す負荷駆動装置１は、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２からなる第１直列回路と第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２からなる第２直列回路とを並列に接続した並列回路とを備えており、第１スイッチ素子Ｑ１と第１コンデンサＣ１の接続点と、第２スイッチ素子Ｑ２と第２コンデンサＣ２の接続点との間に負荷が接続され、第２スイッチ素子Ｑ２と第２コンデンサＣ２の接続点は、接地されている。また、本実施形態において、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴからなり、それぞれ、内蔵された寄生ダイオードＤ１、Ｄ２を有している。
【００１２】
負荷駆動装置１において、第１直列回路の中間点（第１スイッチ素子Ｑ１と第２スイッチ素子Ｑ２の接続点）と第２直列回路の中間点（第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２の接続点）との間には、交流電源Ｖａｃ及び昇圧インダクタＬが直列に接続されている。
【００１３】
負荷駆動装置１は、さらに、交流電源Ｖａｃの入力電圧を検出する入力電圧検出回路３と、昇圧インダクタＬに流れる入力電流ＩＬを検出する入力電流検出回路４と、負荷に印加される出力電圧Ｖｏを検出する出力電圧検出回路５と、これら入力電圧検出回路３、入力電流検出回路４、及び出力電圧検出回路５からの入力に基づいて、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフ動作を制御する制御手段２を備えている。
【００１４】
尚、負荷駆動装置１では、昇圧インダクタＬの一端と交流電源Ｖａｃの一端が接続されて、第１直列回路の中間点には昇圧インダクタＬの他端が接続され、第２直列回路の中間点には交流電源Ｖａｃの他端が接続されているが、昇圧インダクタＬの他端を第２直列回路の中間点に接続し、交流電源Ｖａｃの他端を第１直列回路の中間点に接続するものであってもよい。
【００１５】
次に、図２〜図４を参照して、負荷駆動装置１における制御手段２の構成例及び制御手段２による第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフ動作制御について説明する。ここで、図２は、制御手段２の好ましい構成例を示すブロック図であり、図３（ａ）は、負荷駆動装置１の要部の動作波形を示すタイミングチャートであり、図３（ｂ）は、（ａ）に示すＡ部を時間方向に拡大して示す図である。
【００１６】
また、本明細書において、交流電源Ｖａｃの極性が、図１に示すＶｉｎ＋側が正（Ｖｉｎ−側が負）である半周期を、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期、図１に示すＶｉｎ−側が正（Ｖｉｎ＋側が負）である半周期を、入力電圧Ｖｉｎの負の半周期といい、図３（ｂ）のＡ部は、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期から負の半周期への遷移部分に相当する。また、図４は、負荷駆動装置１の昇圧コンバータ回路として機能を示す等価回路図であり、（ａ）は、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期を示す図、（ｂ）は入力電圧Ｖｉｎの負の半周期を示す図である。
【００１７】
負荷駆動装置１において、制御手段２は、図２に示すように、入力電圧検出回路３で検出された入力電圧Ｖｉｎと、入力電流検出回路４で検出された入力電流ＩＬと、出力電圧検出回路５で検出された出力電圧Ｖｏとを入力して、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号Ｖｐｗｍを生成するＰＷＭ信号生成部２ａと、入力電圧検出回路３で検出された入力電圧Ｖｉｎを入力して、現在入力電圧が正負いずれの半周期にあるかを判定する入力電圧正負判定部２ｂと、ＰＷＭ信号生成部２ａからＰＷＭ信号Ｖｐｗｍを入力するとともに、入力電圧正負判定部２ｂの判定に基づいて、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のドライブ信号（この場合、ゲート信号）を生成して出力するドライブ信号生成部２ｃを備えている。
【００１８】
尚、図２では、入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏ、及び入力電流ＩＬ自体が制御手段２に入力されるものとして示されているが、入力電圧検出回路３及び出力電圧検出回路５は、例えば分圧回路等により、検出された入力電圧値及び出力電圧値に対応する所定の電圧信号を制御手段２に出力するものであってもよく、また、入力電流検出回路４は、検出された入力電流ＩＬを、入力電流値に対応する所定の電圧信号に変換して、制御手段２に出力するものであってもよい。本明細書において、制御手段２に入力される入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏ、及び入力電流ＩＬの用語は、これらの場合を含めていうものとする。
【００１９】
ＰＷＭ信号生成部２ａは、所定の基準電圧Ｖｒｅｆと出力電圧Ｖｏの差分電圧ａを生成し、この差分電圧ａを比例積分（ＰＩ）する。また、ＰＷＭ信号生成部２ａは、入力電圧Ｖｉｎを整流（｜ｘ｜）し、整流後の入力電圧ｃと比例積分後の差分電圧ｂを乗算（Ｘ）して、基準電流信号ｄを生成する。そして、ＰＷＭ信号生成部２ａは、入力電流ＩＬを整流（｜ｘ｜）して、基準電流信号ｄと整流後の入力電流ｅとの差分をとり、この差分信号ｆを比例積分（ＰＩ）した制御信号ｇを、ＰＷＭコンパレータ部６の非反転入力端子に出力する。ＰＷＭコンパレータ部６の反転入力端子には、所定の周波数及び振幅を有するキャリア信号Ｖｃ（例えば、三角波または鋸歯状波）が入力されており、ＰＷＭコンパレータ部６は、入力された制御信号ｇをキャリア信号Ｖｃとの比較に基づいてパルス幅変調し、生成されたＰＷＭ信号Ｖｐｗｍをドライブ信号生成部２ｃに出力する。
【００２０】
ドライブ信号生成部２ｃは、第１スイッチ素子Ｑ１のドライブ信号（ゲート信号）ＶｇｓＨ生成用の（２入力）ＡＮＤゲート７と、第２スイッチ素子Ｑ２のドライブ信号（ゲート信号）ＶｇｓＬ生成用の（２入力）ＡＮＤゲート８を備えており、それぞれのＡＮＤゲート７、８の一方の入力端子に、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍが入力されている。一方、入力電圧正負判定部２ｂは、入力電圧Ｖｉｎを入力し、交流電圧の負の半周期と同期したパルス幅を有する第１パルス信号Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ１と、交流電圧の正の半周期と同期したパルス幅を有し、したがって第１パルス信号Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ１の正負の論理を反転した反転信号である第２パルス信号Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ２を生成する。そして、第１パルス信号Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ１は、ドライブ信号生成部２ｃのＡＮＤゲート７の他方の入力端子に入力され、第２パルス信号Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ２は、ドライブ信号生成部２ｃのＡＮＤゲート８の他方の入力端子に入力される。
【００２１】
以上の構成により、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期において、ＡＮＤゲート８に対して第２パルス信号（正周期パルス信号）Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ２が出力され、ＡＮＤゲート８から、第２スイッチ素子Ｑ２のゲート信号ＶｇｓＬとしてＰＷＭ信号Ｖｐｗｍが出力される。この間、ＡＮＤゲート７の他方の入力端子はＬｏｗレベルに保持され、第１スイッチ素子Ｑ１のゲート信号ＶｇｓＨもＬｏｗレベルに保持される（図３参照）。これによって、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期の間、第２スイッチ素子Ｑ２は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍのパルス幅に相当するオンデューティを有するようにオン／オフ動作し、一方、第１スイッチ素子Ｑ１は、オン／オフ動作を休止してオフ状態に保持される。
【００２２】
また、入力電圧Ｖｉｎの負の半周期において、ＡＮＤゲート７に対して第１パルス信号（負周期パルス信号）Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ１が出力され、ＡＮＤゲート７から、第１スイッチ素子Ｑ１のゲート信号ＶｇｓＨとしてＰＷＭ信号Ｖｐｗｍが出力される。この間、ＡＮＤゲート８の他方の入力端子はＬｏｗレベルに保持されており、第２スイッチ素子Ｑ２のゲート信号ＶｇｓＬもＬｏｗレベルに保持される（図３参照）。これによって、入力電圧Ｖｉｎの負の半周期の間、第１スイッチ素子Ｑ１は、ＰＷＭ信号Ｖｐｗｍのパルス幅に相当するオンデューティを有するようにオン／オフ動作し、一方、第２スイッチ素子Ｑ２は、オン／オフ動作を休止してオフ状態に保持される。
【００２３】
負荷駆動装置１は、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をこのように制御することによって、入力電圧Ｖｉｎの正の半周期では、図４（ａ）に示すように、第２スイッチ素子Ｑ２を主スイッチ素子とし、第１スイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードＤ１を整流素子とする昇圧コンバータ回路を構成し、第２スイッチ素子Ｑ２のオン時に昇圧インダクタＬに蓄積されたエネルギーが、第２スイッチ素子Ｑ２のオフ時に第１コンデンサＣ１に移送される。一方、負荷駆動装置１は、入力電圧Ｖｉｎの負の半周期では、図４（ｂ）に示すように、第１スイッチ素子Ｑ１を主スイッチ素子とし、第２スイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤ２を整流素子とする昇圧コンバータ回路を構成し、第１スイッチ素子Ｑ１のオン時に昇圧インダクタＬに蓄積されたエネルギーが、第１スイッチ素子Ｑ１のオフ時に第２コンデンサＣ２に移送される。
【００２４】
これによって、交流電源Ｖａｃの入力電圧Ｖｉｎは整流され、第１、第２コンデンサＣ１、Ｃ２からなる第２直列回路の両端間に、入力電圧Ｖｉｎの全周期にわたって、昇圧された直流電圧である出力電圧Ｖｏが出力される。このとき、負荷駆動装置１は、その制御手段２により、出力電圧検出回路５で検出された出力電圧Ｖｏに基づいて第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のオンデューティを制御することにより、所望の出力電圧Ｖｏを出力する昇圧動作を実施するものである。
【００２５】
さらに、制御手段２において、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２をオン／オフ動作させるゲート信号ＶｇｓＨ、ＶｇｓＬは、基準電流信号ｄと入力電流検出回路４によって検出された入力電流ＩＬとの差分に基づいて生成され、この基準電流信号ｄは、出力電圧Ｖｏと基準電圧Ｖｒｅｆとの差分に基づくとともに、入力電圧検出回路３で検出された入力電圧Ｖｉｎの位相変化に伴う増減を反映させたものであるため、図３に示すように、入力電流ＩＬの包絡線波形を、ほぼ入力電圧Ｖｉｎと同位相の正弦波状とすることが可能となり、力率が改善される。
【００２６】
負荷駆動装置１は、４個のダイオードから構成される全波整流ブリッジが不要な簡易な回路構成により、交流電源Ｖａｃの入力電圧Ｖｉｎを整流及び昇圧して出力するＡＣ／ＤＣコンバータを実現するものであり、これによって、負荷駆動装置１のコストの低減及び信頼性の向上を実現することが可能となるとともに、ダイオードによるドロップ損失が無くなり、負荷駆動装置の高効率化かつ高力率化を達成することができる。
【００２７】
以上、本発明を好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、寄生ダイオードを有する他のスイッチ素子、例えば、ＩＧＢＴなどであってもよい。あるいは、ダイオードＤ１、Ｄ２として、第１、第２スイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のソース−ドレイン間に付加した外付けのダイオードを用いるものであってもよい。この構成によれば、コストは上昇するものの、例えば、ダイオードＤ１、Ｄ２として、回復時間の早いファーストリカバリーダイオード（ＦＲＤ）を用いることにより、応答性が向上する。また、ダイオードＤ１、Ｄ２として、Ｖｆ（順方向電圧）の小さいショットキーバリアダイオード（ＳＢＤ）を用いることにより、効率及びノイズの改善が図れる。勿論、外付けのダイオードを用いる場合、第１、第２スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２は、寄生ダイオードを有しないスイッチ素子（例えば、バイポーラトランジスタなど）であってもよい。
【符号の説明】
【００２８】
１：負荷駆動装置、２：制御手段、２ａ：ＰＷＭ信号生成部、２ｂ：入力電圧正負判定部、２ｃ：ドライブ信号生成部、３：入力電圧検出回路、４：入力電流検出回路、５：出力電圧検出回路、６：ＰＷＭコンパレータ部、７，８：ＡＮＤゲート、Ｃ１：第１コンデンサ、Ｃ２：第２コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２：寄生ダイオード、ＩＬ：入力電流、Ｌ：昇圧インダクタ、Ｑ１:第１スイッチ素子、Ｑ２:第２スイッチ素子、Ｖａｃ：交流電源、Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ１：第１パルス信号、Ｖｉｎ＿Ｐｕｌｓｅ２：第２パルス信号、Ｖｏ：出力電圧、Ｖｐｗｍ：ＰＷＭ信号、ＶｇｓＨ:第１スイッチ素子のゲート信号（ドライブ信号）、ＶｇｓＬ：第２スイッチ素子のゲート信号（ドライブ信号）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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