(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡＣ電流入力端子を有するＡＣ−ＤＣ変換器であって、
第１の一次巻線、第２の一次巻線および一つの二次巻線を有する変圧器と、
電力スイッチと、
蓄積キャパシタと、
前記第２の一次巻線を第１の期間に前記蓄積キャパシタに以前に蓄積ずみのエネルギーで付勢するとともに前記第１の一次巻線を第２の期間に前記ＡＣ電流入力端子経由の入力電流のエネルギーで付勢するように前記電力スイッチを制御する手段と
を含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２】
前記変圧器を唯一の磁気素子として含む請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項３】
前記電力スイッチを唯一の電力スイッチとして含む請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項４】
前記第１の一次巻線の端子に接続した第１の端子と第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第２の端子に接続するとともに前記蓄積キャパシタの第１の端子に接続した第１の端子と前記第２の一次巻線の第１の端子に接続した第２の端子とを有する第２のダイオードと
をさらに含み、
前記第２の一次巻線の第２の端子を前記電力スイッチの第１の端子に接続し、前記電力スイッチの第２の端子を前記蓄積キャパシタの第２の端子に接続した請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項５】
前記電力スイッチのオフの期間中にエネルギーが前記二次巻線に伝達される請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項６】
前記電力スイッチのオフの期間中にエネルギーが前記二次巻線に伝達され、前記電力スイッチのオンの期間にはエネルギーは前記二次巻線には実質的に伝達されない請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項７】
前記電力スイッチのオンの期間中にエネルギーが前記二次巻線に伝達される請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項８】
前記電力スイッチのオンの期間中にエネルギーが前記二次巻線に伝達され、前記電力スイッチのオフの期間にはエネルギーは二次巻線には実質的に伝達されない請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項９】
前記電力スイッチのオフの期間中にエネルギーが前記二次巻線に伝達され、前記電力スイッチのオンの期間中にエネルギーがもう一つの二次巻線に伝達される請求項１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１０】
第１の入力端子、第２の入力端子、第１の出力端子および第２の出力端子を有する整流器ブリッジと、
前記整流器ブリッジの前記第１の出力端子に接続した第１の端子を有する第１の一次巻線、第２の一次巻線および二次巻線を有する変圧器と、
前記変圧器の前記第１の一次巻線の第２の端子に接続した第１の端子と第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第２の端子に接続した第１の端子と前記変圧器の前記第２の一次巻線の第１の端子に接続した第２の端子とを有する第２のダイオードと、
前記第２の一次巻線の第２の端子に接続した第１の端子と第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
前記電力スイッチの前記第２の端子に接続するとともに前記整流器ブリッジの前記第２の出力端子に接続した第１の端子と前記第１のダイオードの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有するキャパシタと、
前記変圧器の前記二次巻線の第１の端子および第２の端子に接続した整流回路と、
前記整流回路の端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有する制御回路と
を有するＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１１】
前記第１の一次巻線の前記第１の端子を高周波濾波用インダクタにより前記整流器ブリッジの前記第１の出力端子に接続した請求項１０記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１２】
前記第１の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した第２の端子とを有する第３のダイオード
をさらに含む請求項１０記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１３】
前記第１の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記第２の一次巻線の第３の端子に接続した第２の端子とを有する第３のダイオード
をさらに含む請求項１１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１４】
前記第１の一次巻線の前記第１の端子と接続した第１の端子と前記第２の一次巻線の第３の端子に接続した第２の端子とを有する第３のダイオード
をさらに含む請求項１１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１５】
前記変圧器が前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した第１の端子を有する第３の一次巻線をさらに含み、
前記第３の一次巻線の第２の端子に接続した前記第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した前記第２の端子とを有する第３のダイオード
をさらに含む請求項１１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項１６】
（ａ）ＡＣ入力電圧の一周期の第１の期間にＡＣ−ＤＣ変換器の蓄積キャパシタから前記ＡＣ−ＤＣ変換器のＤＣ出力端子へのエネルギー伝達を前記蓄積キャパシタに以前に蓄積ずみのエネルギーによる前記ＡＣ−ＤＣ変換器の変圧器の第１の一次巻線の付勢により行う過程と、
（ｂ）前記ＡＣ入力電圧の前記周期の第２の期間に前記ＡＣ−ＤＣ変換器のＡＣ入力端子から前記ＡＣ−ＤＣ変換器のＤＣ出力端子へのエネルギー伝達を前記ＡＣ入力端子経由の電流による前記変圧器の第２の一次巻線の付勢により行う過程と、
（ｃ）前記変圧器の前記二次巻線の両端に誘起される電圧を整流して前記ＤＣ出力端子へのＤＣ電圧を生ずる過程と
を含む方法。
【請求項１７】
前記エネルギー伝達過程（ａ）が前記第１の一次巻線から前記二次巻線へのエネルギー伝達のために前記第１の一次巻線の電流を多数回オン・オフ切換えすることを含み、前記エネルギー伝達過程（ｂ）が前記第２の一次巻線から前記二次巻線へのエネルギー伝達のために前記第２の一次巻線の電流を多数回オン・オフ切換えすることを含む請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の期間が前記ＡＣ入力端子のＡＣ電圧の絶対値が所定電圧以下になっている期間であり、前記第２の期間が前記ＡＣ入力端子のＡＣ電圧の絶対値が前記所定電圧以上になっている期間であり、前記第１および第２の期間が互いに重なり合うことがない請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の期間中に前記第１の一次巻線を付勢した前記蓄積キャパシタからのエネルギーが前記第２の期間の一部で補給される請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
第１の入力端子および第２の入力端子と第１の出力端子および第２の出力端子とを有するブリッジ整流器と、
第１の一次巻線と第２の一次巻線と二次巻線とを有し、前記第１の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第２の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第１の一次巻線の前記第２の端子を前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した変圧器と、
前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記ブリッジ整流器の前記第２の端子に接続した第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した第１の端子と前記電力スイッチの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有する蓄積キャパシタと、
第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第１の端子と前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２のダイオードと、
前記ブリッジ整流器の前記第１の出力端子に接続した第１の端子と前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有するインダクタと、
前記二次巻線に接続されＤＣ出力端子を有する整流回路と、
前記整流回路の前記ＤＣ出力端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有し、前記ブリッジ整流器の前記第１の端子と前記第２の端子との間にＡＣ電圧が現れている期間に前記電力スイッチを多数回オン・オフ切換えするように前記電力スイッチを制御する制御回路と
を含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２１】
ＡＣ入力電流端子を有するＡＣ−ＤＣ変換器であって、
第１の一次巻線と第２の一次巻線と二次巻線とを有し、前記第１の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第２の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第１の一次巻線の前記第２の端子を前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した変圧器と、
前記第１の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した第１の端子と前記電力スイッチの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有する蓄積キャパシタと、
第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第１の端子と前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第２のダイオードと、
第１の端子と前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有するインダクタと、
前記電力スイッチを制御する手段であって、（１）前記電力スイッチがオンのとき前記ＡＣ入力電流端子に現れるＡＣ電圧の周期の第１の期間においては前記第２の一次巻線の付勢が前記蓄積キャパシタの前記第１の端子から前記二次巻線および前記電力スイッチ経由で流れる電流で行われ前記第１の一次巻線の付勢は行われず、（２）前記電力スイッチがオンのとき前記ＡＣ入力電流端子に現れるＡＣ電圧の前記周期の第２の期間においては一つの電流が前記インダクタ、前記ダイオード、前記第１の一次巻線および前記電力スイッチ経由で流れ、もう一つの電流が前記蓄積キャパシタの前記第１の端子から前記第２の一次巻線および前記電力スイッチ経由で流れ、（３）前記周期の期間中に前記電力スイッチが多数回オン・オフされるように、前記電力スイッチを制御する手段とを含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２２】
前記二次巻線に接続されＤＣ出力端子を有する整流回路
をさらに含み、
前記電力スイッチ制御手段が前記整流回路の前記ＤＣ出力端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有する
請求項２１記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２３】
第１の入力端子および第２の入力端子と第１の出力端子および第２の出力端子とを有するブリッジ整流器と、
第１の一次巻線と第２の一次巻線と二次巻線とを有し、前記第１の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第２の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有する変圧器と、
前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記ブリッジ整流器の前記第２の端子に接続した第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
第１の端子と前記電力スイッチの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有し、前記第１の一次巻線を前記電力スイッチのオンの期間に付勢する蓄積キャパシタと、
第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第１の端子と前記蓄積キャパシタの前記第１の端子に接続した第２のダイオードと、
前記ブリッジ整流器の前記第１の出力端子に接続した第１の端子と前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有するインダクタと、
前記二次巻線に接続されＤＣ出力端子を有する整流回路と、
前記整流回路の前記ＤＣ出力端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有し、前記ブリッジ整流器の前記第１の端子と前記第２の端子との間にＡＣ電圧が現れている期間に前記電力スイッチを多数回オンオフ切換えするように前記電力スイッチを制御する制御回路と
を含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２４】
前記蓄積キャパシタの前記第１の端子を前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した請求項２３記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２５】
第１の入力端子および第２の入力端子と第１の出力端子および第２の出力端子とを有するブリッジ整流器と、
第１の一次巻線と第２の一次巻線と二次巻線とを有し、前記第１の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第２の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第１の一次巻線の前記第２の端子を前記第２の一次巻線の一つの端子に接続した変圧器と、
前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記ブリッジ整流器の前記第２の端子に接続した第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
第１の端子と前記電力スイッチの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有し、前記第１の一次巻線を前記電力スイッチのオンの期間に付勢する蓄積キャパシタと、
第１の端子と前記第２の一次巻線の前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第１の端子と前記蓄積キャパシタの前記第１の端子に接続した第２のダイオードと、
前記ブリッジ整流器の前記第１の出力端子に接続した第１の端子と前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有するインダクタと、
前記二次巻線に接続されＤＣ出力端子を有する整流回路と、
前記整流回路の前記ＤＣ出力端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有し、前記ブリッジ整流器の前記第１の端子と前記第２の端子との間にＡＣ電圧が現れている期間に前記電力スイッチを多数回オン・オフ切換えするように前記電力スイッチを制御する制御回路と
を含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２６】
前記蓄積キャパシタの前記第１の端子を前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した請求項２５記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２７】
第１の入力端子および第２の入力端子と第１の出力端子および第２の出力端子とを有するブリッジ整流器と、
第１の一次巻線と第２の一次巻線と二次巻線とを有し、前記第１の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第２の一次巻線が第１の端子および第２の端子を有し、前記第１の一次巻線の前記第２の端子を前記第２の一次巻線の一つの端子に接続した変圧器と、
前記第２の一次巻線の前記第２の端子に接続した第１の端子と前記ブリッジ整流器の前記第２の端子に接続した第２の端子と第３の端子とを有する電力スイッチと、
第１の端子と前記電力スイッチの前記第２の端子に接続した第２の端子とを有し、前記第１の一次巻線を前記電力スイッチのオンの期間に付勢する蓄積キャパシタと、
第１の端子と前記蓄積キャパシタの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有する第１のダイオードと、
前記ブリッジ整流器の前記第１の出力端子に接続した第１の端子と前記第１のダイオードの前記第１の端子に接続した第２の端子とを有するインダクタと、
前記第１のダイオードの前記第１の端子と前記電力スイッチの前記第１の端子との間に前記第２の一次巻線と直列に接続した第２のダイオードと、
前記二次巻線に接続されＤＣ出力端子を有する整流回路と、
前記整流回路の前記ＤＣ出力端子に接続した入力端子と前記電力スイッチの前記第３の端子に接続した出力端子とを有し、前記ブリッジ整流器の前記第１の端子と前記第２の端子との間にＡＣ電圧が現れている期間に前記電力スイッチを多数回オンオフ切換えするように前記電力スイッチを制御する制御回路と
を含むＡＣ−ＤＣ変換器。
【請求項２８】
前記蓄積キャパシタの前記第１の端子を前記第１の一次巻線の前記第１の端子に接続した請求項２７記載のＡＣ−ＤＣ変換器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はＡＣ−ＤＣ変換器に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
ＡＣ配電線から電力を受けるＡＣ−ＤＣ変換器は正弦波状の配電線電圧を整流してそのエネルギーをキャパシタに蓄積することが多い。キャパシタは一般に配電線電圧ピーク値まで充電されるので入力電圧がピーク値近傍になったときだけ電流が電源装置に流入する。そのために、電源装置への入力電流の波形は配電線電力基本周波数とその基本周波数の整数倍（高調波）との組合せになる。これら高調波入力電流の大きさは基本周波数入力電流の大きさに対する百分比がかなり大きくなり得る。したがって、高調波入力電流はその配電線に接続してある他の高感度装置に干渉する歪を生じたり、配電ネットワーク素子に蓄積されてそれら素子に望ましくない負担をかける歪を生じたりすることがある。
【０００３】
「力率補正」（ＤＦＣ）法と呼ばれる手法を用い、入力電流の近似値正弦波への変換によって、入力電流の高調波成分を削減することができる。しかし、そのような力率補正回路は一般に複雑である。
【０００４】
図１（従来技術）はそのような力率補正回路の一例の概略図を示す。インダクタ１と高周波スイッチ２とダイオード３と電流検出抵抗器４と制御回路５とを含む昇圧変換器が配電線端子６と蓄積用キャパシタ７との間に挿入してある。第１の制御回路５でスイッチ２の伝導を変調し、入力電流の波形を正弦波に近似させる。変圧器８と高周波スイッチ９と制御回路１０と出力整流器１１とを含む分離ＤＣ−ＤＣ変換器は電圧源として蓄積キャパシタ７を利用し、キャパシタ電圧を使用可能なＤＣ出力電圧レベルに変換し、その出力電圧を出力端子１２に生ずる。このＤＣ−ＤＣ変換器の制御回路１０はスイッチ９の伝導に変調をかける。
【０００５】
上述の従来技術の力率補正回路は種々の用途に満足すべき性能を発揮しているが、二つの個別のスイッチ２および９、並びに二つの個別の制御回路５および１０のために複雑になりコストが嵩む。一方、高調波をほぼ全部除去する必要のある用途は多くなく、工業標準の設定値以下に高調波を減らせば十分である用途が大部分である。したがって、より低廉なＡＣ−ＤＣ変換器、すなわち高調波を低減した出力電流を生ずるものの二つの制御回路および二つのスイッチは必要としないＡＣ−ＤＣ変換器に対する需要が高まっている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明のＡＣ−ＤＣ変換器は、電力切換スイッチ、磁気素子、制御ループおよび蓄積キャパシタをそれぞれ１個だけ用いて、７５パーセント以上の効率で８０パーセント以上の力率補正を達成する。必要となる唯一の磁気素子は、第１の一次巻線と第２の一次巻線と少なくとも一つの二次巻線とを有する変圧器である。ＡＣ入力電流の一周期の第１の期間中にこの第２の一次巻線を蓄積キャパシタに蓄積ずみのエネルギーで付勢する。その結果、この発明のＡＣ−ＤＣ変換器は入力電圧がピーク値に達する時点までの長い期間にわたり、また入力電圧がピーク値に達した時点後の長い期間にわたり入力電流をとり込む。したがって、入力電流基本波に対する入力電流高調波の大きさは、磁気素子を１個だけ備えるＡＣ−ＤＣ変換器にしては低減されている。リプルや雑音の濾波のために別個の磁気素子を追加することもできる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図２は入力端子１０１へのＡＣ電力を出力端子１０２へのＤＣ電力出力に変換する電力変換器１００の単純化した回路図である。この電力変換器１００は一次回路１０３と、二次回路１０４と、制御回路１０５とを含む。整流用ブリッジダイオード１０６−１０９はＡＣ電力配電線からの入力端子１０１で受けたＡＣ電圧を整流する。電力変換器１００は１個だけのスイッチ素子（パワーＦＥＴ１００）と１個だけの磁気素子（変圧器１１１）とを備える。この変圧器１１１は二つの一次巻線１１２および１１３と二次巻線１１４とを備える。一次巻線１１２は巻数Ｎ１、一次巻線１１３は巻数Ｎ２、二次巻線１１４は巻数Ｎ３をそれぞれ備える。一次回路のダイオード１１５−１１７はパワースイッチ１１０が導通状態のときにどちらの一次巻線を付勢するかを決める。蓄積キャパシタ１１８は配電線電圧が低いときにこの電力変換器を動作させるエネルギーを供給する。
【０００８】
二次回路１０４は変圧器二次巻線１１４からの電流を整流するための整流回路１１９および１２０を備える。制御回路１０５は出力端子１０２両端の調整ずみＤＣ電圧を維持するようにスイッチ１１０の導通時間を制御する。制御回路１０５は可変周波数、可変デューティサイクルまたはこれらの両方でスイッチ１１０を駆動できる。一つの実施例では、この制御回路１０５をユニトロード(Unitrode)社から市販されているＵＣ３８４３型集積回路装置で構成し、そのピン２を出力端子１０２に、ピン６をスイッチ１１０のゲートにそれぞれ接続する。
【０００９】
図３は図２の電力変換器の動作を図解する単純化した波形図である。電力変換器１００の動作を四つの動作モードについて説明する。スイッチ１１０は各動作モードで多数回オン・オフする。モード１では、エネルギーは蓄積キャパシタ１１８からトランジスタ１１１および出力端子１０２経由で負荷（図示してない）に伝達される。次にモード３では、蓄積キャパシタ１１８からの放出エネルギーが次のモード１に先行して回復される。
【００１０】
上述のとおり、スイッチ１１０はモード１で多数回オン・オフする。図４はモード１においてスイッチ１１０がオンのときの電流の流れを示し、図５はモード１においてスイッチ１１０がオフのときの電流の流れを示す。ダイオード１０６−１０９は入力正弦波電圧ＶINを整流し、図３の整流入力電圧ＶRをノード１２１に生じさせる。図２に点線で示した接地の記号は図３の電圧波形の接地電圧基準を示す。モード１の開始条件は、巻線１１３両端の誘起電圧ＶYが蓄積キャパシタ１１３の端子電圧に等しいこと、すなわち、
ＶY＝ＶC＝ＶR／（Ｎ１／Ｎ２）          ・・・（１）
である。ここで、ＶYはモード２、３および４におけるスイッチ１１０のオンの期間中の巻線１１３両端の誘起電圧（ノード１２４の電圧）、ＶCはキャパシタ１１８の端子電圧（ノード１２３の電圧）、ＶRは整流入力電圧（ノード１２１の電圧）、Ｎ１／Ｎ２は巻線１１２の巻線１１３に対する巻数比である。説明の簡略化および明瞭化のために、ダイオードは順方向電圧降下を伴わない理想的ダイオードとして取り扱う。
【００１１】
式（１）の状態が生じたのち、整流入力電圧ＶRは引き続き減少し、キャパシタ１１８の端子電圧ＶCは比較的高い値に留まる。したがって、ダイオード１１６は導通状態になり、スイッチ１１０が図４に示すとおりオンのとき巻線１１３は蓄積キャパシタ１１８の端子電圧で付勢される。すなわち、蓄積キャパシタ１１８内のエネルギーはモード１ではスイッチ１１０がオンのとき減少する。一方、このモード１の期間中でスイッチ１１０がオンのとき二次回路のキャパシタ１２０から出力電流ＩLOADが出力される。
【００１２】
図５はモード１においてスイッチ１１０がオフのときの電流の流れを示す。スイッチ１１０をオフにすると二次巻線１１４に電流が流れ、順方向にバイアスされた１１９経由で出力キャパシタ１２０が充電される。図４に示すとおりスイッチ１１０がオンのときはキャパシタ１１８が巻線１１３にエネルギーを供給し、図５に示すとおりこのスイッチがオフのときはキャパシタ１１８は再充電されないので、キャパシタ１１８の端子電圧ＶCはモード１では減少する。ＶCのこの減少（図３に示す）は平均放電電流で定まる勾配を有する近似直線に従う。スイッチングサイクル多数にわたる平均放電電流ＩDISは、
ＩDIS＝ＩLOAD・ＶOUT／ＶC＝Ｃ118・ｄＶｃ／ｄｔ  ・・・（２）
で与えられる。ここで、ＩLOADは出力端子１０２から出力される平均負荷電流、ＶOUTは端子１０２におけるＤＣ電圧の大きさ、Ｃ118は蓄積キャパシタ１１８のキャパシタンスである。制御回路１０５はモード１におけるスイッチ１１０のオン・オフのデューティサイクルを、キャパシタ１１８の端子電圧の低下の補償および巻線１１３へのエネルギーの定常的流れの維持を達成するよう変動させる。
【００１３】
図３に示すとおり、整流入力電圧ＶRはモード１の期間中に低下し、零に達し、次に増加し始める。整流入力電圧ＶRがスイッチ１１０オンのとき（図３の電圧ＶR1）の巻線１１２両端の誘起電圧を超えると、ダイオード１１５が順方向バイアスされる。この時点で変圧器１１１の励起源は一次巻線１１３から一次巻線１１２に切り換わる。これがモード１からモード２への遷移である。モード２への遷移の条件は次式で与えられる。
【００１４】
ＶR＝ＶC・Ｎ１／Ｎ２    ・・・（３）
図６はモード２でスイッチ１１０がオンのときの回路動作を図解している。ＡＣ配電線からの電流は整流用ダイオード１０７、巻線１１２、ダイオード１１５、導通状態のスイッチ１１０および整流用ダイオード１０８を通ってＡＣ配電線に環流する。したがって、巻線１１２は付勢される。
【００１５】
図５はモード２でスイッチ１１０がオフのときの回路動作を図解している。スイッチ１１０をオフにすると二次巻線１１４に電流を誘起し、バイアスダイオード１１９経由で出力キャパシタ１２０を充電する。
【００１６】
モード２では蓄積キャパシタ１１８からのエネルギーの抽出はないので、キャパシタ１１８の端子電圧は一定値を維持し、整流された入力電圧ＶRから巻線１１２に伝達されたエネルギーのほぼ全部が出力キャパシタ１２０、出力端子１０２および負荷に伝達される。巻線１１２を流れスイッチングサイクル多数にわたり平均された入力電流は次式で与えられる。
【００１７】
ｉIN＝ＩLOAD・ＶOUT／ＶIN        ・・・（４）
整流された入力電圧ＶRは図３に示すとおりモード２の期間全体を通じて時間の経過とともに上昇を続け、電圧ＶRとスイッチ１１０のオフの期間中の巻線１１２の端子電圧との和も上昇する。この和の電圧値がキャパシタ１１８の端子電圧を超えると、ダイオード１１７が順方向バイアスされ、ＡＣ配電線からキャパシタ１１８に電流が流れる。これがモード３の始まりである。すなわち、モード３の開始の条件は次式で与えられる。
【００１８】
ＶC＝ＶIN＋Ｖ112＝ＶIN＋ＶOUT・Ｎ１／Ｎ３  ・・・（５）
ここで、Ｖ112はスイッチ１１０のオフのときの巻線１１２の端子電圧である。Ｖ112はモード２においては一定値であり、出力電圧および上記の巻線比に左右される。
【００１９】
図６はモード３でスイッチ１１０がオンのときの回路動作を図解している。図７はモード３でスイッチ１１０がオフのときの回路動作を図解している。モード１の期間中にキャパシタ１１８から失われたエネルギーはモード３で回復する。制御回路１０５はスイッチ１１０のオン・オフのデューティサイクルを変動させて追加のエネルギーを巻線１１２のインダクタンスに蓄積させ、出力および回復キャパシタ１１８の両方へのエネルギー伝達に備える。モード３でスイッチ１１０がオフのときの蓄積キャパシタ１１８への充電電流ｉCHGは次式で与えられる。
【００２０】
ｉCHG＝Ｃ118・ｄｖc／ｄｔ＝Ｃ118・ｄ（Ｖ112＋ＶR）／ｄｔ  ・・（６）
キャパシタ１１８への充電電流ｉCHGの流入が止まったときの入力電圧ＶINのピークでモード４が始まる。図６はモード４でスイッチ１１０がオンのときの回路動作を図解し、図５はモード４でスイッチ１１０がオフのときの回路動作を図解する。モード４でスイッチ１１０をオフにすると二次巻線１１４に電流の流れが誘起され、この誘起電圧が順方向バイアスのダイオード１１９経由で出力キャパシタ１２０を充電する。
【００２１】
図７に示すとおりモード３の期間には入力電圧ピーク値プラス巻線１１２端子電圧までキャパシタ１１８は充電されるので、モード４で入力電圧の低下開始時にはダイオード１１７は逆バイアス状態になる。しかし、ダイオード１１５は導通状態になり、図６に示すとおりスイッチ１１０がオンのとき巻線１１２は付勢される。一方、キャパシタ１１８からのエネルギー抽出は行われないのでキャパシタ１１８の端子電圧は一定に留まり、入力から巻線１１２への伝達エネルギーは負荷に伝達される。入力電流はモード２の場合と同様に式（４）で与えられる。入力電圧ＶINが式（１）の条件を満たすほどに低下すると、モード１が再び始まる。
【００２２】
ＡＣ配電線からの入力電流の絶対値の図３の波形から理解されるとおり、入力電流は入力電圧ピーク値の前後の相当に長い期間にわたって流れる。この相当に長い期間にわたる入力電流流入によって、入力電流の高調波成分が減少する。十分に高い整流入力電圧（例えば図３のＶR2よりも大きい）に対しては、このＡＣ−ＤＣ変換器はＡＣ配電線端子から第１の一次巻線１１２経由で出力端子にエネルギーを伝達する動作を行う。低すぎる整流入力電圧（例えば図３の電圧ＶR1よりも小さい）に対しては、このＡＣ−ＤＣ変換器はキャパシタ１１８の蓄積エネルギーを第２の一次巻線１１３経由で出力端子に伝達する動作に切り換わる。伝導の度合いは比Ｎ１／Ｎ２の設定によってプログラムできる。この比Ｎ１／Ｎ２を小さくすると伝導の度合いの数字が大きくなる。
【００２３】
一つの実施例では、このＡＣ−ＤＣ変換器は正弦波入力電圧２２０Ｖ、負荷４５Ｗのとき後述の表１に示した特性を備える。なお、このＡＣ−ＤＣ変換器は１個のスイッチ、１個の磁性素子（二つの一次巻線を備える変圧器）および１個の制御ループだけを有する。上述の巻数比Ｎ１／Ｎ２は約０．８である。スイッチング周波数は１００−１２０ＫＨｚ程度であり、蓄積キャパシタは４７マイクロファラッド程度で小さい（キャパシタンス、寸法の点で）。
【００２４】
0003749579.tif 000002
この表１の高調波入力電流合計の実効値（ＲＭＳ値）は入力電流（実効値）の高調波成分全部を入力電流の大きさに関連づける。また、この表１の効率の数字は出力端子への取り出し出力電力をこのＡＣ−ＤＣ変換器の入力端子への供給電力の百分比で示してある。伝導の度合いは、入力電圧正弦波の１周期のうち入力端子への供給電流が有意なレベルに達していた期間の位相角の大きさである。
【００２５】
図８はこの発明によるＡＣ−ＤＣ変換器の特定の実施例の詳細な回路図である。インダクタ８００３９８およびキャパシタＣ５は周波数１０ＫＨｚ以上の電磁気的干渉波（ＥＭＩ）の濾波のためのものである。したがって、インダクタ８００３９８は配電線電力周波数の１０００倍程度の周波数に作用する定数を備え、約１ｍＨ以下である。インダクタ８００３９８を整流器ブリッジダイオード１０６−１０９と第１の一次巻線１１２との間に設けてあるが、このインダクタ８００３９８はＥＭＩ濾波だけを目的とするものであってＡＣ−ＤＣ変換器の必須の構成部分ではない。すなわち、インダクタ８００３９８を除去してもこの回路はＡＣ−ＤＣ変換器として動作する。スイッチ１１０は耐圧６００ＶのＦＥＴである。
【００２６】
図９Ａ乃至図９Ｉは上記以外の多様な実施例の簡略化した回路図である。これら図面の各々において、ＡＣ入力端子は１０１、ＤＣ出力端子は１０２、整流ダイオードは１０６−１０９、第１の一次巻線は１１２、第２の一次巻線は１１３、二次巻線は１１４、スイッチは１１０、蓄積キャパシタは１１８、制御回路は１０５、出力キャパシタは１２０でそれぞれ示してある。また、ダイオード１１６および１１７もこれら回路図に示してある。
【００２７】
図９Ａの実施例は追加のダイオード１１５Ａを備える。このダイオード１１５Ａの陽極は整流ブリッジダイオードの出力でノード１２１に接続し、同じダイオード１１５Ａの陰極は第２の一次巻線１１３の第３の端子に接続し、モード２、３および４の期間中の入力電流をダイオード１１５および１１５Ａ、並びに巻線１１２および巻線１１３の一部で分配するようにしている。図９Ｂの実施例では、ダイオード１１５の陰極を第２の一次巻線１１３の端子に接続し、上述の式（１）および（３）のための巻数Ｎ１の総数が巻線１１２の巻数と巻線１１３の一部の巻数との和になるようにしている。上述の式（５）のための巻数Ｎ１は巻線１１２の巻数に等しい。これによって、キャパシタ１１８の電圧最大値を減少させ、しかもそれ以外の動作特性には影響を与えないという効果が得られる。図９Ｃの実施例では変圧器が第３の一次巻線１１２Ａを備える。この第３の一次巻線１１２Ａはモード２、３および４でスイッチ１１０のオンの期間中に機能する。モード３のスイッチ１１０のオフの期間に一次巻線１１２には電流が流れる。図９Ｄの実施例は、巻線１１２Ａが巻線１１３の一部として組み合わされていることを除き、図９Ｃの実施例と同じである。図９Ｅの実施例は二次回路がダイオード１１９Ａおよびインダクタ１１９Ｂから成る平均化フィルタを用いた順方向変換器のそれであることを除き図９Ｃの実施例と同じである。この実施例においては、一次巻線１１２および１１２Ａはモード３の期間中に整流ずみ入力電圧を変換してキャパシタ１１８を高いレベルまで充電し、一方スイッチ１１０のオンの期間に二次巻線へのエネルギー伝達を同時に行う。巻線１１３は入力電圧がごく低いときにキャパシタ１１８からのエネルギーを利用する。図９Ｆの実施例は一次巻線１１２Ａの代わりに一次巻線１１３の一部を用いたことを除き図９Ｅと同じである。また、図９Ｆの実施例は図９Ｅの出力整流回路を用いていることを除き図９Ｄの実施例と同じである。図９Ｇおよび図９Ｈは第２のスイッチ１１０Ａが使用可能であることを示している。図９Ｇの実施例ではスイッチ１１０Ａはモード２、３および４の期間中に入力電流を流し、スイッチ１１０はモード１の期間中に入力電流を流す。これによって、これら個別の回路機能中に生ずる電流および電圧に個別に上記スイッチを適合導通させることができる。図９Ｈの実施例では、電力取り込み手段が巻線１１２から１１３に切り換わり、したがって配電線入力から蓄積キャパシタに切り換わったときの整流ずみ入力電圧のレベルを判定するための追加の比較器が付加してある。図９Ｉの実施例では、一次巻線１２５、一次巻線１１３および二次巻線１１４が変圧器を構成している。インダクタ１２６は約１００ｍＨよりも大きいインダクタンス値を有する個別のインダクタである。
【００２８】
説明のために特定の実施例に関連してこの発明を上に述べてきたが、この発明はこれら実施例に限定されない。追加の磁性素子をフィルタ用にこのＡＣ−ＤＣ変換器に付加できる。したがって、これら実施例の特徴項の多様な改変、変形および組合せが、上記特許請求の範囲記載の発明の範囲を逸脱することなく実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】二つのスイッチおよび二つの制御回路を有する力率補正回路の単純化した回路図。
【図２】この発明の一実施例による電力変換器の単純化した回路図。
【図３】図２の電力変換器の動作を説明する単純化した波形図。
【図４】図２の電力変換器の電流の流れを説明する単純化した波形図。
【図５】図２の電力変換器の電流の流れを説明する単純化した波形図。
【図６】図２の電力変換器の電流の流れを説明する単純化した波形図。
【図７】図２の電力変換器の電流の流れを説明する単純化した波形図。
【図８】  Ａ乃至Ｄはこの発明による特定の実施例の詳細な回路図。
【図９】Ａ乃至Ｉはこの発明の他の実施例の単純化した回路図。
【符号の説明】
１                インダクタ
２，９，１１０    高周波スイッチ
３                ダイオード
４                電流検出用抵抗器
５，１０，１０５  制御回路
６，１０１        配電線電力入力端子
７，１１８        蓄積キャパシタ
８                変圧器
１１，１１９−１２０    出力整流回路
１２，１０２      出力端子
１００            ＡＣ−ＤＣ変換器
１０３            一次回路
１０４            二次回路
１０６−１０９    整流ブリッジダイオード
１１１            変圧器
１１２，１１３    一次巻線
１１４            二次巻線
１１５−１１７    一次回路ダイオード
１２１−１２４    ノード
【図１】
0003749579.tif 000003
【図２】
0003749579.tif 000004
【図３】
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【図４】
0003749579.tif 000006
【図５】
0003749579.tif 000007
【図６】
0003749579.tif 000008
【図７】
0003749579.tif 000009
【図８Ａ】
0003749579.tif 000010
【図８Ｂ】
0003749579.tif 000011
【図８Ｃ】
0003749579.tif 000012
【図８Ｄ】
0003749579.tif 000013
【図９Ａ】
0003749579.tif 000014
【図９Ｂ】
0003749579.tif 000015
【図９Ｃ】
0003749579.tif 000016
【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
0003749579.tif 000018
【図９Ｆ】
0003749579.tif 000019
【図９Ｇ】
0003749579.tif 000020
【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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