社団法人 電子情報通信学会
THE INSTITUTE OF ELECTRONICS,INFORMATION AND COMMUNICATION ENGINEERS

信学技報
TECHNICAL REPORT OF IEICE

超低ノイズ・セリニティー電源を用いた高効率一段方式力率改善コンバータの提案
中川 伸１
1)フィデリックス

杉山 雅彦２

佐々 学２

二宮 保３

〒204-0022 東京都清瀬市松山 2-15-14

Tel / Fax: 042-493-7082, E-mail: MXF06217@nifty.ne.jp
2) ナユタ〒431-3103 静岡県浜松市東区常光町 398 番地

Tel: 053-434-8902, Fax:053-423-0281, E-mail: sugiyama@nayuta-co.jp, sasa@nayuta-co.jp
3) 九州大学大学院システム情報科学研究院 〒819-0395 福岡市西区元岡 744 番地
Tel: 092-802-3709, Fax:092-802-3703, E-mail: ninomiya@ees.kyushu-u.ac.jp
あらまし
超低ノイズ特性を持つセリニティー電源を用いた一段方式力率改善コンバータの構成を提案し、実験により 93.3%の高効率を達成することができた。本稿では、回路の動作原理と、その特徴と共に、最適動作確立のための自励発振動作について述べる。また、高調波低減、効率、力率、出力特性等の諸特性を各部実験波形と共に示す。
キーワード 電圧共振、ZVS、自励発振、力率改善、電源高調波電流、PFC、ワン・コンバータ、シングル・ステージ、一段方式、高効率、低ノイズ、セリニティー電源、

A propose for a high efficiency single stage PFC converter
that employs extreme low-noise Serenity SMPS technology.
Shin NAKAGAWA1) Masahiko SUGIYAMA2)
1) FIDELIX Co.,

E-mail: MXF06217@nifty.ne.jp

398 Joukoh-cho, Higashi-ku, Hamamatu, Shizuoka 431-3103, JAPAN

Tel:053-434-8902,

Fax : 053-423-0281,

3) Dept. of EESE, Kyushu University, 744
Tel: 092-802-3709,

Abstract

Tamotsu NINOMIYA3)

2-15-14 Matsuyama, Kiyose, Tokyo 204-0022, JAPANTel / Fax: 0424-93-7082,
2) NAYUTA Co.,

Manabu SASA2)

Fax : 092-802-3703,

E-mail: sugiyama@nayuta-co.jp

sasa@nayuta-co.jp

Moto-oka, Nishi-ku, Fukuoka 819-0395, JAPANE-mail: ninomiya@ees.kyushu-u.ac.jp

A single-stage PFC converter using an extremely low noise “Serenity SMPS”
is proposed. A high efficiency of93.3% was obtained by an experimental breadboard.

This paper describes its operational principle and some good features,and furthermore the self-oscillation specified for the optimum operation.

Some characteristics such as harmonics reduction,

power efficiency, power factor, and load characteristics are shown with experimental waveforms of voltage and current.
KeywordVoltage-mode resonance, ZVS, Self oscillation, Power-factor correction,
PFC, Single stage converter, High efficiency, Low-noise, Serenity power supply,

Mains harmonics current ,１．まえがきる 電 流 は い ず れ も 時 比 率 50%の 方 形 波 に 近 く 、筆者らは図１のセリニティー電源の基本原理や動しかもプッシュプル動作のため、この電流が、作 に つ い て 先 に 述 べ た [2,3]。本 方 式 の 概 略 は 以 下 の 通

180°の 位 相 差 で も っ て 合 算 さ れ る 。 そ の た め 、リップル電流は、埋め合うので、入力電流と出りである。
●

ランスに印加される電圧波形は綺麗なサイン波状となる。そのため、スイッチングノイズが非●力電流は共に少ない。

全区間が電圧共振動作のため、スイッチングト●

1 次側の入力電流と 2 次側の出力電流は逆向きで結合チョークコイルへ流れるので、直流重畳常に少ない。

成分はキャンセルされる。そのため、大きなピスイッチに流れる電流と 2 次ダイオードに流れーク電流時でもコアの磁気飽和は生じ難い。

●

フォワード的な動作なので、入力電圧が定まっに流れる電流はスイッチングの電圧波形に対して、積ていれば、負荷電流が増えようともトランスの分関係にある三角波状の電流が流れことにある。

コアは飽和しない。以上からして、大きなピーク電流供給能力がある。
●

1 次巻き線と 2 次巻き線は結合チョークで逆向きに接続される。このため、インダクタンス成分はキャンセルされる。その結果、出力 Z のインダクタンス成分が激減し、負荷応答が高速に

図２高周波を重畳して力率改善する例なる。
●

フィードバック制御が無いため、過度応答はリ●

入力変動の割合はそのまま出力に出現し、負荷ンギングなどが生じず、素直で安定になる。
変 動 率 は 2% 程 度 と 商 用 周 波 数 で 動 作 す る ト ランスより優れている。このため、オーディオ用としてはほぼ充分である。
●

ワールドワイド入力には適さない。

以上の特徴からすればオーディオ用途には最適と考えられる。今回はこのセリニティー電源に電源高調波 対 策 を す る た め 、1 段 方 式 の 力 率 改 善 を 試 み 、93.3%という高効率が得られたので、その実験結果について報告する。
図３

三角波状の電流が流れる様子

３．セリニティー電源における特別なメリット
セリニティー電源はスイッチングの電圧波形がサイン波状となる。すると積分されてサイン波状になる。
こ れ が 180°の 位 相 差 で も っ て 合 算 さ れ る と 、 力 率 改
善用の高周波の合算リップル電流は埋め合って少なくなることに着目した。単に電圧を重畳する意味からすれば、チョーク側に結合させてもかまわないが、チョーク側は既に 1 次と 2 次の電流が逆向きでバランスし
図１

セリニティー電源の基本回路ているため、このバランスを崩することのないトラン

２．一段方式力率改善の基本原理と回路構成

ス 側 と 結 合 さ せ た 。 そ の 原 理 図 は 図 4 で 、 SCAT に よ

１ 段 方 式 で 力 率 改 善 を す る 原 理 は 、図 2 の よ う に 整るシミュレーション波形が図 5 である。図 5 で上は電流した電源波形にスイッチング周波数を重畳し、これ流波形で、下 2 つがスイッチの電圧波形であり、電流を PFC 用 イ ン ダ ク タ を 経 由 し て 整 流 す る こ と に あ る 。

は綺麗に埋め合っていることが分かる。

すると、コンデンサインプットでは流れなかった部分にまで電流が流れるようになり、導通角が広がる。この電流波形を平均すると、サイン波状に近づき、ピーク電流が抑えられるので、電源高調波や力率が向上するというのが基本原理である。図 3 はその原理を分かり易くするため、別な回路にてスイッチング周波数を極 端 に 低 く し た SCAT に よ る シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 波 形 例で あ り 、 全 体 で 50Hz の 半 波 表 示 と な っ て い る 。 こ の図で、整流された電圧と、スイッチング周波数とを加算した電圧が、ケミコン電圧より高い部分で右上がりとなり、低い部分で右下がりになる三角波状の電流が流れる。この高周波電流を平均化すれば導通角が広がる こ と に な る 。こ こ で 重 要 な こ と は PFC 用 イ ン ダ ク タ

図４

セリニティー電源に高周波を重畳するアナログオシロスコープ TEKTRONIX 2247A
表１
５．１

回路パラメーターと使用測定器
高調波特性

図 7 は上が交流電源の電流波形で、下が電圧波形であるが、一般的なコンデンサインプットの電流波形に比べ、導通角が増えていることが観測される。

図５

SCAT に よ る 埋 め 合 っ た 様 子

４．自励発振的な動作をさせる。
PFC の 動 作 を さ せ る と 、PFC 用 イ ン ダ ク タ が 導 通 し 、こ の 時 の 積 分 的 な 電 流 が 流 れ る 状 態 で は 、 PFC イ ン ダクタは等価的に共振回路と並列に接続されることになる。そこで共振周波数は変動をするが、その変動に追従するよう自励発振的な動作をさせる必要がある。そこ で 今 回 は 90kHz の フ リ ー ラ ン 発 振 器 で 起 動 を さ せ 、
図７

動作中はトリガ信号で周期を早めることにより自励発振的な動作をさせた。系の時間遅れを補償するため、駆動回路に位相進み回路を用いて図 6 の構成とした。

電源電流の波形この電流波形の周波数分析をしたものが図 8 であり、高調波規格のクラス D に対して適切なマージンを持って合格していることが覗える。このマージンをさらに大きくするよう設計すると、高周波を重畳する方式の副作用が大きくなってしまう。つまり、軽負荷時に、ケミコン電圧の上昇が大きくなってしまう。この上昇分は後述するように結果的にレギュレーションが悪く見えてしまうので、高調波のマージンは必要最小限に

図６

自励発振の原理図留めることが望ましい。

５．実験結果
２Ａ出力時の高調波電流実験した回路のパラメーターと使用測定器は以下の表に示す。
入力電圧
出力
平 滑 ケミコン
結 合 チョーク

AC100V、50/60Hz±45V、2A2200uF
EER28L、0mmGap、1 次 12t、2 次 4t
PC40 相 当
トランス
EER40、0.2mmGap、1 次 24t×2
PC40 相 当
2 次 8t×2
PFC 4t×2
ＦＥＴ
Cool MOS 800V、オン抵 抗 0.29Ω
発振周波数
100kHz〜140kHz
ＰＦＣチョーク
EI22、0.45mmGap、10t
整 流 ダイオード 1 次 2 次 共 SBD
交流安定化電源KIKUSUI PC500L
電子負荷
FUJ ITSU EUL-300αXL
電力計
HIOKI 3332
電圧計
ADVANTEST R6451A
デジタルオシロスコープ YOKOGAWA DL1200E

2.001.801.601.401.20
1.000.800.600.400.200.00

3

図８５．２

測定値
限度値
5791113151719

高調波の周波数分析とクラス D 限度値
効率と力率

表 2 に 示 す よ う に 最 高 効 率 は 93.3%で あ る が 、 こ れは、コントローラーの電力をも含めた効率なので非常に 高 く 、最 高 力 率 は 81.68%で あ っ た 。な お 、参 考 の ため 、 DC-DC コ ン バ ー タ 部 の 効 率 を DC140V 入 力 、 ±高調波対策をすると、見かけ上のレギュレーションが45V2.2A 出 力 時 で も 測 定 を し て み た が 、96.0%と こ れ も悪くなるので、オーディオ機器にはあまり向かないか同様に高いものであった。

もしれない。なお、オーディオ機器は最大出力の 8 分

一般的な２コンバーターの構成では、交流の整流、の 1 出力時に高調波規格のクラス A で良くなったので、

PFC の ス イ ッ チ ン グ 、PFC の 整 流 、DC-DC の ス イ ッ チ

よほどの大出力でなければ高調波規格は適用されなくング、出力の整流、というステップに対し、本セリニなった。また、業務用のオーディオ機器なら初めから

テ ィ ー 電 源 で は 交 流 の 整 流 、 DC-DC の ス イ ッ チ ン グ 、適用外なので、高調波規格を満たす必要は無い。

出力の整流、という簡単なステップになるため、損失出力電圧が減って高効率になる。
電流波形も方形波に近いため、実効電流が少なくな140り、この点でも低損失になる。一方、各素子には高耐120圧 を 必 要 と す る が 、800V の Cool-MOS や 200V 級 の SBD100を使用することで高効率にできた。

80出力電圧
60402000.00.51.01.52.02.5出力電流

図１０５．４出力電圧特性PFC 用 イ ン ダ ク タ の 電 流 波 形

図 11 は 入 力 電 流 波 形 の 再 掲 で あ る 。 図 12〜 15 は 上が合成電流で、下は片側の電流波形になっている。図12 は PFC 用 イ ン ダ ク タ 動 作 中 の 区 間 の 波 形 を 示 し て
い る 。図 13 の 電 流 ピ ー ク 付 近 で は 、電 流 波 形 が サ イ ン
波状になり、2 つの位相が合成されてリップルが非常
表２に 少 な く な っ て い る 様 子 が 覗 え る 。こ れ は 図 5 の SCAT

測定データによるシミュレーション結果ともよく一致している。

効率と力率

図 14 は 中 腹 付 近 で 、合 成 電 流 は 連 続 的 で あ る も の の リ
1.0

ップル電流は増大している。とはいっても 2 コンバー

0.9

タ ー よ り は 遥 か に 少 な く な っ て い る 。図 15 は 裾 部 分 で 、

0.80.7合成電流は断続的になるものの電流値そのものは少な0.6い。
効率0.5

力率

最近は 2 相以上のコンバータを並列に動作させるマ0.4

ルチフェーズとかインターリーブとか呼ばれている方0.3式が注目を浴びている。いずれも動作電流を滑らかに0.2するものであるが、本セリニティー電源はプッシュプ0.1

ルなので初めから 2 相になっている。

0.00.00.51.0

1.5

2.0

2.5

出力電流以上からして、本セリニティー電源は 1 段方式で高調波対策をしようとも、交流ライン側に漏れる電流性

図９５．３

効率と力率カーブの高周波ノイズも少なくできることが期待できる。

出力特性

高 周 波 を 重 畳 す る ワ ン・コ ン バ ー タ の 性 質 か ら し て 、
軽負荷時にケミコン電圧が上昇するので、結果的にレギュレーションが悪くなったかのように見えてしまう。
な お 、図 10 の 電 圧 は ±45V を 直 列 に し た 合 計 値 な の で
約 90V に な っ て い る 。
このように、セリニティー電源で高周波を重畳する

図１１

入力電流の波形図１２

PFC が 動 作 す る 部 分 の 電 流 波 形
図１５裾部分における電流波形

図 16 で 上 の 波 形 は 無 負 荷 時 に て ト ラ ン ス へ 印 加 される電圧波形である。丁寧に調整をすればこのように角のない非常に滑らかな電圧波形が得られる。下の波形はスイッチの電圧波形であるが、これも非常に滑らかである。これらの波形からして、スイッチングノイズの高調波成分が非常に少ないことが理解できる。

図１３ピーク部分における電流波形

図１６無負荷時のトランスとスイッチの電圧波形

定格負荷時
図 17 は 定 格 負 荷 時 の 写 真 で あ る 。 こ の よ う に 非 常に綺麗に自励的な動作をしていることが覗える。この動作はスイッチング周波数が大きくゆれるので、スイッチングノイズは分散され、小さく見える。
立ち上がり部分のリンギングは漏れインダクタン
ス の 影 響 で 、図 18 は そ の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 波 形 で あ るが、この詳細な説明は後日の機会に回す。
図１４５．５
無負荷時

中腹部分における電流波形

スイッチングの電圧波形なお、オーディオ用には、小出力時においてスイッチングノイズが少ないことの方が重要とされている。というのは大出力時には本来の音でスイッチングノイズの悪影響はかき消され易いからである。写真１は本実験に用いた電源の写真である。

は前段の電源から見れば負性抵抗が接続されていることになり、不安定要因となる。現に電源が多段接続されている場合で、システム全体が不安定になって発振する現象は報告されている。そもそも多くのスイッチ
ン グ 電 源 は L と C で 構 成 さ れ て い る の で 、次 数 は 2 次以上になり、この系に負帰還を掛けることになるので本質的に不安定要因は内在している。したがって、負性抵抗はこの不安定要因をさらに増大させることになる。つまり、この点からも制御を掛けない電源を仲介させればシステムの安定化につながることになる。
７．まとめ
オーディオ機器は最大出力の 8 分の 1 出力時に高調波規格に入っていれば良く、しかも高調波規格はクラス A で 良 く な っ た の で 、よ ほ ど の 大 出 力 で な く て は 規
格 そ の も の が 適 応 さ れ な い 。 ま た PA な ど に 使 う 業 務
用 機 器 の 場 合 は 、こ れ ま た 高 調 波 規 格 が 適 用 さ れ な い 。

図１７

最大負荷時のスイッチ電圧の波形

したがってオーディオ機器は高調波対策が不要に近くなったため、コンデンサインプット方式でも良く、高調波対策は行うにしても商用周波数で動作する小さなチョークコイル方式で十分と思われる。なお、定格出力時にチョークコイルが飽和しても特に問題は生じない。つまり、オーディオ機器にはレギュレーションを悪化させてまで高調波対策をする必要は無いのかもしれない。今回提案するワン・コンバータ方式は簡単な

図１８

漏れインダクタンスのシミュレーション回路構成でありながら、電源高調波対策が可能で、しで右は拡大部分

か も 93.3%と 非 常 に 高 効 率 で あ る 。 し た が っ て 負 荷 電流が比較的安定している医療用機器などには最適と思われる。
今後はスイッチングノイズを徹底的に配慮した構造とし、各種の安全規格も満たして、製品化に向けた検 討 を し て ゆ き た い 。 ま た 、 230V 地 域 用 に STMicroelectronics 社 の PowerMesh 型 MOS FET(1500V 耐 圧 )を使った検討もしてゆきたい。

文

写真１

実験に使った電源の写真

６．制御についてスイッチング電源には制御を掛ける習慣がある。しかし、制御を掛けないと別な特徴もあり、最近では注
目 さ れ て い る 。特 に 時 比 率 が 約 50%固 定 で 動 作 す る 方式 に は Vi・ Chip な ど が あ る 。
今 、 た と え ば 360V か ら 48V に 変 換 す る 電 源 の 後 段に 、48V か ら 12V に 変 換 す る 電 源 が 接 続 さ れ て い る とし よ う 。も し も 48V の 電 圧 が 下 が る と 、後 段 の 電 源 は同じ電力を得るため、電流は増えることになる。これ

献[1] 中 川 伸 特 願 2004-146552 号 ス イ ッ チ ン グ 電 源 装置 平 成 16 年 5 月 17 日 ,特 許 庁[2] 中 川 伸 ， 二 宮 保 「 オ ー デ ィ オ 用 に 適 し た 諸 特 性を 備 え る ス イ ッ チ ン グ 電 源 装 置 」、 信 学 技 報
Vol.106 No.53, pp.49-53, 5 月 (2006).
[3] 中 川 伸 ， 二 宮 保 「 オ ー デ ィ オ 用 ス イ ッ チ ン グ 電
源の超低ノイズ特性を実現するためのＺＶＳ条
件 に つ い て 」、 信 学 技 報 Vol.106 No.233, pp.25-30,
9 月 (2006).