(57)【要約】【課題】電解コンデンサのリップルの負担を軽減させ、コンデンサの容量を低減しながら、寿命を延ばすことができる力率改善回路を提供する。【解決手段】力率改善回路が開示される。本発明の一実施形態の力率改善回路において、力率改善部は、並列に連結される電解コンデンサとフィルムコンデンサとを含む、電解コンデンサのリップルの負担を軽減させ、コンデンサの容量を低減しながら、寿命を延ばすことができる。【選択図】図２
2013247857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源供給のための電源供給部と、
前記電源供給部から供給される電力を整流する整流部と、及び
前記整流部によって整流された電源の力率を改善する力率改善部と、を含み、
前記力率改善部は、並列に連結される電解コンデンサとフィルムコンデンサとを含むことを特徴とする力率改善回路。
【請求項２】
前記フィルムコンデンサは、スイッチング周波数による高調波電流のリップルを除去するように構成され、前記電解コンデンサは、電源周波数による電流のリップルを除去するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の力率改善回路。
【請求項３】
前記電解コンデンサの静電容量は、前記フィルムコンデンサの静電容量よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の力率改善回路。
【請求項４】
前記電解コンデンサの静電容量は、前記フィルムコンデンサの静電容量の５〜１０倍であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の力率改善回路。
【請求項５】
前記フィルムコンデンサの静電容量ＣFは、以下の式によって決定されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の力率改善回路。
【数１】
2013247857.tif 000009
（ＲBは、前記電解コンデンサの寄生抵抗、ｆSWは、スイッチング周波数である。）
【請求項６】
前記整流部は、
複数のダイオードを含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の力率改善回路。
【請求項７】
前記力率改善部は、
インダクタ、ＭＯＳＦＥＴ、及びダイオードをさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の力率改善回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、力率改善回路（Ｐｏｗｅｒ  Ｆａｃｔｏｒ  Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）は、入力電圧と位相が合うように入力電流を制御するため、出力電力は、入力周波数の２倍の周波数を有しながら、出力電力の２倍に相当する電力リップル（ｒｉｐｐｌｅ）を有する。例えば、３．６ｋＷの力率改善回路の場合、７．２ｋＷの最大値を有するようになる。従って、これを平滑するためには、力率改善回路の出力コンデンサは、非常に大きな値を有する静電容量を有さなければならない。従って、通常、サイズ対比静電容量が大きい電解コンデンサ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が用いられる。
【０００３】
力率改善回路の出力コンデンサを決定するにあたって、一般に、次の二つの要素を考慮する。入力電圧が瞬間０に落ちる場合にエネルギーを供給し続けるための保持時間（ｈｏｌｄ−ｕｐ  ｔｉｍｅ）と、電解コンデンサの寿命である。自動車用のオンボード充電器の場合、サイズ及び重量の制限などにより、保持時間の制約は一般にないことから、電解コンデンサの寿命を考慮してデザインする必要があることが分かる。
【０００４】
一般に、電解コンデンサの寿命に影響を与える要素は、電解コンデンサに入る電流リップルの大きさ及び電解コンデンサの中心部の温度であり、二つの要素は相互に関連している。もちろん、周囲の温度が高くなると、中心部の温度も上昇して寿命が短縮されるが、周囲の温度が同じ場合には、電流リップルが小さいと、中心部の温度上昇幅が減って寿命の短縮を防ぐことができる。
【０００５】
ただし、これまで開発された力率改善回路の場合、電解コンデンサに入る電流リップルを減らして電解コンデンサの寿命を延ばすことができる方法が存在しておらず、電解コンデンサのサイズを減らすことが難しくて、システムの全体的なサイズが大きくなるという問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする技術的課題は、電解コンデンサのリップルの負担を軽減させ、コンデンサの容量を低減しながら、寿命を延ばすことができる力率改善回路を提供することである。
【０００７】
本発明が解決しようとする他の技術的課題は、低い温度で電解コンデンサの内部インピーダンスが大きくなり、許容電流リップルが減少し、冷始動に発生する可能性のある問題を解消することができる力率改善回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記のような技術的課題を解決するために、本発明の一実施形態における力率改善回路は、電源供給のための電源供給部と、前記電源供給部から供給される電力を整流する整流部と、前記整流部によって整流された電源の力率を改善する力率改善部と、を含み、前記力率改善部は、並列に連結される電解コンデンサとフィルムコンデンサとを含む。
【０００９】
本発明の一実施形態において、前記フィルムコンデンサは、スイッチング周波数による高周波電流のリップルを除去するように構成され、前記電解コンデンサは、電源周波数による電流のリップルを除去するように構成されてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態において、前記電解コンデンサの静電容量は、前記フィルムコンデンサの静電容量よりも大きくてもよい。
【００１１】
本発明の一実施形態において、前記電解コンデンサの静電容量は、前記フィルムコンデンサの静電容量の５〜１０倍であってもよい。
【００１２】
本発明の一実施形態において、前記フィルムコンデンサの静電容量ＣFは、以下の式によって決定でき、ＲBは、前記電解コンデンサの寄生抵抗、ｆSWは、スイッチング周波数である。
【００１３】
【数１】
2013247857.tif 000003
【００１４】
本発明の一実施形態において、前記整流部は、複数のダイオードを含んでもよい。
【００１５】
本発明の一実施形態において、前記力率改善部は、インダクタ、ＭＯＳＦＥＴ、及びダイオードをさらに含んでもよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、電解コンデンサのリップルの負担を軽減させ、コンデンサの容量を低減しながら、寿命を延ばすことができ、また、より低い温度で電解コンデンサの内部インピーダンスが大きくなり、許容電流リップルが減少し、冷始動において発生する可能性のある問題を未然に解消することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】力率改善回路の基本的な動作を説明するための図である。
【図１Ｂ】力率改善回路の基本的な動作を説明するための図である。
【図１Ｃ】力率改善回路の基本的な動作を説明するための図である。
【図２】本発明の一実施形態による力率改善回路の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の一実施形態による力率改善回路の動作を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施形態による力率改善回路の動作を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、多様な変更を加えることができ、種々の実施形態を有することができるが、特定の実施形態を図面に例示し、詳細な説明において詳細に説明する。しかしながら、これは、本発明を特定の実施形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解すべきである。
【００１９】
以下、添付図面を参照し、本発明に係る好ましい一実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１Ａ〜図１Ｃは、力率改善回路の基本的な動作を説明するための図である。図１Ａは、一般的な力率改善回路の構成を示す回路図である。図１Ａに示すように、力率改善回路は、入力された電力を整流した後、リップルを除去し、コンデンサＣＢによって安定的に電力を供給するように設計されている。
【００２１】
図１Ｂは、従来の力率改善回路の動作時におけるコンデンサのリップル電流を示すものである。図１Ｂに示すように、基本的に、入力周波数の２倍に相当する低周波数（６０Ｈｚの場合１２０Ｈｚ）とブースト（ｂｏｏｓｔ）力率改善回路のスイッチングによるスイッチング周波数が存在することが分かる。
【００２２】
図１Ｃは、従来の力率改善回路の制御が適切に行われて正常に動作する場合の入力電圧、入力電流、及び出力電力を、上から順に示す図である。図１Ｃに示すように、力率改善回路は、入力電圧と位相が合うように入力電流を制御するため、出力電力は、入力周波数の２倍の周波数を有しながら、出力電力の２倍に相当する電力リップルを有する。従って、これを平滑するためには、力率改善回路の出力コンデンサが非常に大きな値を有する必要があり、通常、サイズ対比静電容量が大きい電解コンデンサを使用した。図１ＡのコンデンサＣＢが電解コンデンサである。
【００２３】
入力電流と電圧の力率が「１」であり、システムの効率が１００％に近接すると仮定すれば、図１Ｂのようにコンデンサの電流リップルが流れる場合、この電流の実効値（ＲＭＳ：ｒｏｏｔ  ｍｅａｎ  ｓｑｕａｒｅ）は、数式１によって求めることができる。
【００２４】
【数２】
2013247857.tif 000004
【００２５】
ここで、Ｉgは、入力電流のＲＭＳを示し、Ｉoは、出力電流のＲＭＳを意味する。
【００２６】
上記数式１を用いて、入力が２２０Ｖである場合を仮定すると、３．６ｋＷの充電器の場合、コンデンサのリップル電流のＲＭＳを求めてみると、９．７９ＡRMSとなる。この結果を見ると、少なくとも９．８ＡRMS以上の許容電流リップルを有する電解コンデンサを使用しなければならないことが分かる。
【００２７】
電源の周波数に該当する電流リップルＩC、120Hzと、スイッチング周波数に該当する電流リップルＩC、SWは、以下の数式２のような結果を有する。
【００２８】
【数３】
2013247857.tif 000005
【００２９】
電源周波数に該当する電流リップルは、次の数式３によって求めることができる。
【００３０】
【数４】
2013247857.tif 000006
【００３１】
従って、スイッチング周波数に該当する電流リップルは、以下の数式４の通りである。
【００３２】
【数５】
2013247857.tif 000007
【００３３】
ここで、入力電源の周波数は、スイッチング周波数に比べて非常に低いため、スイッチング周波数に該当する電流リップルに耐える方法を考慮すると、電解コンデンサの電流リップルを電源周波数による電流リップルで最小化して、電解コンデンサの静電容量を最小化できるようになる。
【００３４】
これを実現するために、本発明の一実施形態による力率改善回路は、図２に示すように、電解コンデンサ１６０と共にフィルムコンデンサ１５０を採用することができる。
【００３５】
図２に示すように、本発明の一実施形態による力率改善回路１００は、整流部と、ブースト力率改善部とからなる。
【００３６】
ここで、整流部は、４つのダイオード１１０−１、１１０−２、１１０−３、１１０−４を含み、入力された電源を整流することができる。
【００３７】
一方、ブースト力率改善部は、整流された電源の力率を改善するためのものであって、インダクタ１２０、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）１３０、ダイオード１４０、電解コンデンサ１６０、及びフィルムコンデンサ１５０を含み、ここで、電解コンデンサ１６０とフィルムコンデンサ１５０とは、並列に連結してもよい。また、本発明の一実施形態において、ブースト力率改善部のスイッチングの役割は、ＭＯＳＦＥＴ１３０が行ってもよい。
【００３８】
電解コンデンサ１６０とフィルムコンデンサ１５０は、周波数の特性が異なっている。図３を見ると、周波数ドメインにおいて、電解コンデンサの周波数の特性は実線で示されている。一般に、周波数ドメインで見ると、コンデンサは、低周波ではコンデンサの特性を有し、中間帯域の周波数では抵抗のような特性を有し、高周波数ではインダクタのような特性を有する。これは、コンデンサが理想的な特性を有さずに、内部に寄生抵抗（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）と寄生インダクタンス（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を有するからである。
【００３９】
一般に、電解コンデンサは、静電容量が大きく、内部の寄生抵抗の成分が大きいため、図３に示すように、スイッチング周波数帯域（数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ）では、抵抗のようなインピーダンスの特性を有し、これは、電解コンデンサの内部の寄生抵抗による。
【００４０】
一方、フィルムコンデンサは、内部の寄生抵抗が小さいため、図３の点線のような特徴を有する。
【００４１】
本発明の一実施形態による力率改善回路１００は、電解コンデンサ１６０とフィルムコンデンサ１５０とを並列に連結したため、それぞれのコンデンサに入力される電流リップルは、リップルの周波数でのインピーダンスに反比例するようになる。従って、インピーダンスの小さい方にリップル電流が流入される。
【００４２】
図３を参照すると、電源周波数では、電解コンデンサ１６０の方がインピーダンスが小さいため、電源周波数を有する電流リップルは、電解コンデンサ１６０の方に流れる。スイッチング周波数では、インピーダンスがフィルムコンデンサ１５０の方が小さいため、スイッチング周波数の成分を有する電流リップルは、フィルムコンデンサ１５０に流れるようになる。
【００４３】
このような方法で、電解コンデンサ１６０でスイッチング電流リップルを除去することによって、電解コンデンサ１６０の電流リップルを電源周波数による電流リップルで抑え、電解コンデンサ１６０のサイズを減らし、寿命を延ばすことができる。
【００４４】
図４は、スイッチング周波数での出力端、すなわち、並列に連結されたフィルムコンデンサ１５０と電解コンデンサ１６０の等価回路を示すものであって、フィルムコンデンサ１５０の静電容量ＣFと電解コンデンサ１６０の寄生抵抗ＲBの並列形態を有するようになる。
【００４５】
従って、スイッチング周波数のリップルがフィルムコンデンサ１５０に流れるようにするためには、以下の数式５を満たすように、フィルムコンデンサ１５０の静電容量を決定すればよい。
【００４６】
【数６】
2013247857.tif 000008
【００４７】
一般に、両インピーダンスの比率は、５〜１０倍程度が適当である。
電解コンデンサの静電容量は、フィルムコンデンサの静電容量の５〜１０倍である。
【００４８】
このように、電解コンデンサ１６０と並列に連結されたフィルムコンデンサ１５０は、スイッチング周波数による高調波電流のリップルを吸収するようになる。その結果、電解コンデンサ１６０は、電源周波数によるリップルのみを削除すればよいため、電解コンデンサの電流リップルの負担を軽減させることができる。
【００４９】
このような方法を用いると、電解コンデンサ１６０の寿命に影響を与える電流リップルの問題を緩和し、車載型充電器（ｏｎ−ｂｏａｒｄ  ｃｈａｒｇｅｒ）を含む大容量の力率改善回路の寿命に大きな影響を与える電解コンデンサ１６０の寿命を延ばすことができるという利点を有する。
【００５０】
また、電解コンデンサ１６０は、電源周波数に該当する電流リップルのみを除去すればよいことから、静電容量を低減することができ、製品の全体的なサイズも減らすことができるという利点を有する。
【００５１】
一方、一般的な力率改善回路では、低温度（−４０℃〜０℃）で電解コンデンサの内部インピーダンスが大きくなり、許容電流リップルが減少し、冷始動に問題が発生するが、このような問題も解決できるようになる。
【００５２】
以上、代表的な実施形態を挙げて本発明について詳細に説明したが、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者は、上述した実施形態に対して本発明の範囲から逸脱しない範囲内で多様な変形が可能であることを理解することができる。従って、本発明の権利範囲は、説明された実施形態に限定されてはならず、後述する特許請求の範囲だけでなく、この特許請求の範囲と均等なものにより定められなければならない。
【符号の説明】
【００５３】
１２０    インダクタ
１３０    ＭＯＳＦＥＴ
１４０    ダイオード
１５０    フィルムコンデンサ
１６０    電解コンデンサ
【図１Ａ】
2013247857.tif 000010
【図１Ｂ】
2013247857.tif 000011
【図１Ｃ】
2013247857.tif 000012
【図２】
2013247857.tif 000013
【図３】
2013247857.tif 000014
【図４】
2013247857.tif 000015