JP2010200437A

JP2010200437A - 電源装置

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Publication number: JP2010200437A
Application number: JP2009040757A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Sano; 秀晃左納; Tomohiro Tarumi; 智宏樽見; Kojiro Suenaga; 幸次郎末永; Koichi Azuma; 恒一東
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-02-24
Filing date: 2009-02-24
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2029-02-24
Also published as: JP5417885B2

Abstract

【課題】供給される交流電力の電圧レベルが異なる場合でも安定して電力供給を行うことができる電源装置を提供する。
【解決手段】直流出力部３４から出力される直流電力の電圧レベルが予め定めた出力電圧レベルから低下するほど切替電圧レベルを高く定めて周期的に出力端子ＲＡＭＰから電流を出力して充電を行い、出力端子ＲＡＭＰの電圧レベルが切替電圧レベルとなる期間の間、スイッチング素子２６、２８をオンさせるパルス信号を出力する制御回路３６と、切替電圧レベルが予め定めた閾値電圧以上となった場合に容量が増加し、出力端子ＲＡＭＰに接続されて出力端子ＲＡＭＰから供給される電流を充電する充電手段５２と、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源装置に関する。

出力電力が大きい電源装置には、入力電流を正弦波に近づける力率改善回路（以下、｛ＰＦＣ（power factor improvement circuit）回路｝ともいう。）が搭載されている。

このＰＦＣ回路を備えた電源装置に関する技術として、特許文献１には、スイッチング周波数を変動可能な力率改善回路にいて、スイッチング周期に最小値を設定することにより軽負荷時の高周波化を抑制して動作を安定化させる技術が提案されている。

また、特許文献２には、電圧変換用トランスの１次側電圧のレベルが予め定められたレベルよりも低いか否かを判定し、１次側電圧が予め定められたレベルよりも低い場合にスイッチング素子のオン期間が予め定められた期間以上長くならないように制御する低入力保護回路を設けて起動時のオーバーシュートとアンダーシュートを抑制する技術が提案されている。

ところで、ＰＦＣ回路の制御方式として、インターリーブ方式が最近注目されている。インターリーブ方式は、スイッチング素子を２個並列に接続し、交互にオン・オフすることで、低ノイズ／高効率化を実現している。

また、最近では、グローバル化が進み、電源装置を備えた製品が日本国内などの商用電源が１００Ｖの地域のみ出荷されるだけでなく、２００Ｖの地域にも出荷されるようになった。従来では、１００Ｖ用と２００Ｖ用の電源装置を生産し、製品に搭載していた。

特開２００１−３４１３８８号公報

本発明は、供給される交流電力の電圧レベルが異なる場合でも安定して電力供給を行うことができる電源装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、供給される交流電力の交流波形を全波整流する整流回路と、
前記整流回路に接続され、当該整流回路により全波整流されて流れる電流の電流値に応じたエネルギが蓄積されるコイルと、入力されるパルス信号に基づいて前記コイルへの電流の通電、非通電を切り替えるスイッチング素子と、前記コイルに蓄積されたエネルギに基づいて当該コイルから出力された電流を平滑化し、平滑化された直流電力を出力する直流出力部と、予め定めた電流値の電流を出力して充電を行う出力端子を有し、前記直流出力部から出力される直流電力の電圧レベルが予め定めた出力電圧レベルから低下するほど切替電圧レベルを高く定めて周期的に前記出力端子から電流を出力して充電を行い、前記出力端子の電圧レベルが前記切替電圧レベルとなる期間の間、前記スイッチング素子をオンさせるパルス信号を出力する制御回路と、前記切替電圧レベルが予め定めた閾値電圧以上となった場合に容量が増加し、前記出力端子に接続されて当該出力端子から供給される電流を充電する充電手段と、を備えている。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記充電手段を、第１のコンデンサと、降伏電圧を前記閾値電圧としたツェナーダイオード及び第２のコンデンサを直列に接続した直列回路とを並列に接続して構成したものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記コイル及び前記スイッチング素子を各々２つ設けて、第１のコイルと第２のコイルを前記整流回路に並列に接続し、第１のスイッチング素子で前記第１のコイルへの電流の通電、非通電を切り替え、第２のスイッチング素子で前記第２のコイルへの電流の通電、非通電を切り替え、前記制御回路は、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子に対して交互にオンさせるパルス信号を出力するものである。
。

請求項１に記載の発明によれば、供給される交流電力の電圧レベルが異なる場合でも安定して電力供給を行うことができる、という優れた効果を有する。

また、請求項２に記載の発明によれば、切替電圧レベルがツェナーダイオードの降伏電圧となった場合に自動的に充電手段の容量が増加する、という優れた効果を有する。

また、請求項３に記載の発明によれば、高効率で力率改善を行なうことができる、という優れた効果を有する。

実施の形態に係る電源装置１０の概略構成を示す図である。実施の形態に係る切替電圧レベルとオン期間の関係を示す波形図である。ランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤにコンデンサ５０のみを設けた場合の出力電流と出力電圧の変化状態を示すグラフである。ランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤにコンデンサ５０のみを設けた場合の出力電流と出力電圧の変化状態を示すグラフである。ランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤにコンデンサ５０とツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に設けた場合の出力電流と出力電圧の変化状態を示すグラフである。ランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤにコンデンサ５０とツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に設けた場合の出力電流と出力電圧の変化状態を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。

図１には、本実施の形態に係る電源装置１０の概略構成が示されている。

本実施の形態に係る電源装置１０は、日本国内などの商用電源が１００Ｖの地域と２００Ｖ（２３０Ｖ）の地域で使用されるものとされており、商用電源から１００Ｖ又は２００Ｖの交流電力が供給される。

電源装置１０は、商用電源から供給される交流電力の交流波形を全波整流する整流回路１２と、整流回路１２により全波整流された電力の力率改善を行なうと共に当該交流電力を予め定めた出力電圧レベル（ここでは、４００Ｖ）の直流電力に変換する力率改善回路１４と、力率改善回路１４により変換された直流電力を各々規定の電圧レベルの電力に変換し、モータなどの各種に負荷に供給する電源回路１６（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）を備えている。

力率改善回路１４は、２つのチョークコイル２２、２４と、２つのスイッチング素子２６、２８と、２つのダイオード３０、３２と、コンデンサ３４と、制御回路３６を備えている。

整流回路１２は、４つのダイオードによって構成されたブリッジ回路を含んて構成され、商用電源から供給される交流電力の交流波形を全波整流し、全波整流した交流波形を一対の出力端１２Ａ、１２Ｂから出力する。

整流回路１２の一方の出力端１２Ａには、チョークコイル２２及びダイオード３０を直列接続した直列回路とチョークコイル２４及びダイオード３２を直列接続した直列回路とが並列に接続され、ダイオード３０、３２の出力端はそれぞれコンデンサ３４の一端に接続されている。チョークコイル２２には、コイル内に巻回した検出コイル２３がそれぞれ設けられ、チョークコイル２４には、コイル内に巻回した検出コイル２５が設けられている。コンデンサ３４の他端は整流回路１２の他方の出力端１２Ｂに接続されている。また、コンデンサ３４の一端、他端は電源回路１６に接続されている。

スイッチング素子２６、２８は、Ｎチャンネルの電界効果トランジスタとして構成されている。スイッチング素子２６のドレインはチョークコイル２２の出力端に接続され、スイッチング素子２８のドレインはチョークコイル２４の出力端に接続されている。また、スイッチング素子２６、２８のソースは、それぞれ整流回路１２の他方の出力端１２Ｂに接続されている。

スイッチング素子２６、２８は、オン、オフすることによってチョークコイル２２、２４への電流の通電、非通電の切り替えを行う。チョークコイル２２、２４には、流れる電流の電流値に応じたエネルギが蓄積される。スイッチング素子２６、２８は、オン、オフすることによってチョークコイル２２、２４に流れる電流を変化させ、チョークコイル２２、２４に起電力を励起させる。励起された起電力によってチョークコイル２２、２４に電流が流れると、検出コイル２３、２５にも起電力が励起される。

制御回路３６は、スイッチング素子２６、２８に交互にオン、オフするインターリーブ方式で制御を行うことにより入力電流を正弦波に近づける力率改善の制御を行うものであり、本実施の形態では、力率改善の制御ＩＣ（Integrated Circuit）によって構成している。この制御ＩＣとしては、例えば、(株)ルネサステクノロジ社の型番Ｒ２Ａ２０１１２がある。

スイッチング素子２６のゲートは制御回路３６の第１ゲート端子ＧＡＴＥ１に接続され、スイッチング素子２８のゲートは制御回路３６の第２ゲート端子ＧＡＴＥ２に接続されている。また、検出コイル２３は制御回路３６の第１検出端子ＺＣＤ１に接続され、検出コイル２５は制御回路３６の第２検出端子ＺＣＤ２に接続されている。

また、コンデンサ３４の一端には分圧抵抗４０Ａ、４０Ｂの直列対が接続されている。この分圧抵抗４０Ａ、４０Ｂの中点４２の電圧レベルは、コンデンサ３４の一端の電圧レベルが上昇すると上昇し、コンデンサ３４の一端の電圧レベルが低下すると低下する。本実施の形態では、中点４２を制御回路のフィードバック端子ＦＢに接続することにより、コンデンサ３４の一端の電圧レベルをフィードバックさせている。

制御回路３６は、コンデンサ３４の一端の電圧レベルが上記出力電圧レベルとなるようにスイッチング素子２６、２８をオンさせる期間を変更している。

具体的には、制御回路３６は、フィードバック端子ＦＢで検出される電圧レベルが予め定めた基準電圧レベルから低下するほど切替電圧レベルを高く定める。この基準電圧レベルは、コンデンサ３４の一端の電圧レベルを上記出力電圧レベルとした場合の分圧抵抗４０Ａ、４０Ｂの中点４２の電圧レベルとされている。

制御回路３６は、パルス信号の出力を開始したタイミングでランプ端子ＲＡＭＰから予め定めた電流値の電流（ここでは、１５０μＡ）を出力して充電を行ない、ランプ端子ＲＡＭＰの電圧レベルが切替電圧レベルとなるまでの期間、パルス信号を出力する。

制御回路３６はランプ端子ＲＡＭＰから予め定めた電流値の電流で充電を行う。このため、スイッチング素子２６、２８のオン期間は、切替電圧レベルが高いほど長くなる。また、スイッチング素子２６のオン期間は、ランプ端子ＲＡＭＰに接続されるコンデンサの容量が大きいほど充電による電圧レベルの上昇が遅くなるため、長くなる。

図２には、切替電圧レベルとスイッチング素子２６、２８をオンさせるオン期間Ｔの関係が示されている。

本実施の形態に係る制御回路３６では、切替電圧レベルが高くなるほどスイッチング素子２６のオン期間Ｔが長くする。

ところで、電源装置１０には、商用電源から１００Ｖ又は２００Ｖの交流電力が供給される。電源装置１０は、商用電源から一定量の電力の供給を得る場合、２００Ｖの場合の方が１００Ｖの場合よりも入力電流が小さく、電力を供給するモータなどの負荷で急激な負荷変動が発生した場合、２００Ｖの場合の方が１００Ｖの場合よりも高調波が発生しやすい。

電源装置１０は、小さい入力電流で力率を確保する場合、ランプ端子ＲＡＭＰに接続され、ランプ端子ＲＡＭＰから流れる電流を蓄積するコンデンサの容量を小さくしてスイッチング素子２６、２８のオン期間を短くすることが好ましい。

一方、力率改善回路１４は、ランプ端子ＲＡＭＰに接続され、ランプ端子ＲＡＭＰから流れる電流を蓄積するコンデンサを２００Ｖに対応させて容量を小さくした場合、出力する電力が大きくなればなるほど、スイッチング素子２６、２８のオン時間が十分ではないため、力率改善回路１４から出力される電力が低下し、コンデンサ３４の一端の電圧レベルが低下してしまう。

図３には、例えば、制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、２００Ｖの商用電源に対応させて容量が３００ｐＦのコンデンサ５０のみを設けた場合の出力電流とコンデンサ３４の一端の電圧レベル（出力電圧）の変化が示されている。

実線は商用電源から１００Ｖの交流電力が供給された場合の変化であり、破線は商用電源から２００Ｖの交流電力が供給された場合の変化である。

１００Ｖの交流電力が供給された場合は、出力電流の増加に伴い出力電圧の低下が発生している。

制御回路３６は、フィードバック端子ＦＢで検出されるコンデンサ３４の出力電圧の電圧レベルが低下するほど切替電圧レベルが高くなる。

図４には、例えば、制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、２００Ｖの商用電源に対応させて容量が３００ｐＦのコンデンサ５０のみを設けた場合の切替電圧レベルと出力電圧の変化が示されている。

１００Ｖの交流電力が供給された場合は、２００Ｖの交流電力が供給された場合よりも切替電圧レベルが高くなる。

そこで、本実施の形態では、制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、２００Ｖに対応させて容量が３００ｐＦのコンデンサ５０を接続し、さらに、コンデンサ５０に対してツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に接続している。このツェナーダイオード５２は、降伏電圧を、２００Ｖの商用電源の際の切替電圧レベルよりも大きくかつ１００Ｖの商用電源の際に出力電圧の低下が発生する切替電圧レベルよりも小さい電圧レベルとしており、本実施の形態では、例えば、降伏電圧を１．５Ｖとする。また、コンデンサ５４は、並列接続されたコンデンサ５０とコンデンサ５４の合計の容量が２００Ｖの商用電源に対応するようにしており、本実施の形態では、例えば、容量を６８００ｐＦとする。

次に、本実施の形態に係る電源装置１０の作用を説明する。

力率改善回路１４には、商用電源から１００Ｖ又は２００Ｖの交流電力が供給される。

整流回路１２は、商用電源から供給される交流電力の交流波形を全波整流し、全波整流した交流波形を一対の出力端１２Ａ、１２Ｂから出力する。

制御回路３６は、スイッチング素子２６、２８に交互にオン・オフするインターリーブ方式での力率改善の制御を行っており、スイッチング素子２６、２８に対して交互にパルス信号する。

スイッチング素子２６、２８は、それぞれ制御回路３６からハイレベルのパルス信号が入力されると、オンとなり、それぞれ制御回路３６からローレベルのパルス信号が入力されるとオフとなる。

チョークコイル２２、２４は、それぞれスイッチング素子２６、２８がオンとなって通電状態となると、流れる電流の電流値に応じたエネルギが蓄積され、スイッチング素子２６、２８がオフとなると、蓄積されたエネルギが放出されて電圧が反転してダイオード３０、３２が導通し、ダイオード３０、３２を介してコンデンサ３４を充電する。この時、チョークコイル２２、２４に流れる電流に応じて電圧が検出コイル２３、２５に電圧が発生し、制御回路３６に入力される。制御回路３６は検出コイル２３、２５に発生する電圧がゼロ電位近くに設定された予め定められた値を下回ると、次のハイレベルのパルス信号の出力を開始する。

また、制御回路３６は、フィードバック端子ＦＢで検出される中点４２の電圧レベルが基準電圧レベルから低下するほど切替電圧レベルを高く定め、ハイレベルのパルス信号の出力を開始したタイミングでランプ端子ＲＡＭＰから予め定めた電流値の電流（ここでは、１５０μＡ）を出力して充電を行ない、ランプ端子ＲＡＭＰの電圧レベルが切替電圧レベルとなる期間の間、パルス信号を出力する。

電源装置１０は、商用電源から１００Ｖ又は２００Ｖの交流電力が供給されるが、商用電源から１００Ｖの交流電力が供給される場合、切替電圧レベルが低く、ツェナーダイオード５２を導通せず、コンデンサ５０のみに電荷が蓄積されるため、オン時間が短く抑えることができ、高調波の発生を防止できる。

一方、電源装置１０は、商用電源から２００Ｖの交流電力が供給される場合、切替電圧レベルが高くなり、ツェナーダイオード５２を導通してコンデンサ５０及びコンデンサ５４に電荷が蓄積され、オン時間が長くなるため、電力不足を抑制することができる。

図５には、本実施の形態のように制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、コンデンサ５０とツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に設けた場合の出力電流と出力電圧の変化が示されている。

商用電源から１００Ｖの交流電力が供給された場合は、ツェナーダイオード５２が導通してオン時間が長くなるため、出力電流の増加しても出力電圧の低下が発生しない。

図６には、本実施の形態のように制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、コンデンサ５０とツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に設けた場合の切替電圧レベルと出力電圧の変化が示されている。

商用電源から１００Ｖの交流電力が供給された場合は、ツェナーダイオード５２を導通してオン時間が長くなり、電力が供給されるため、切替電圧レベルの上昇が抑制される。

なお、上記実施の形態では、制御回路３６のランプ端子ＲＡＭＰとグランド端子ＧＮＤに、コンデンサ５０と、ツェナーダイオード５２及びコンデンサ５４を直列に接続した直列回路を並列に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ツェナーダイオード５２の代わりにスイッチング素子を設けて、予め定めた閾値電圧以上となった場合にスイッチング素子をオンすることによりコンデンサ５４に充電されるようにしてもよい
また、上記実施の形態では、インターリーブ方式の力率改善回路１４に適応した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、チョークコイル２２及びダイオード３０を直列接続した直列回路のみを設け、スイッチング素子２６でオン、オフする力率改善回路に適用してもよい。

その他、上記実施の形態で説明した電源装置１０の構成（図１参照。）は、一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内において適宜変更可能であることは言うまでもない。

１０電源装置
１２力率改善回路
２０整流回路
２２チョークコイル（コイル、第１のコイル）
２４チョークコイル（コイル、第２のコイル）
２６スイッチング素子（第１のスイッチング素子）
２８スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
３４コンデンサ（直流出力部）
３６制御回路
５０コンデンサ（充電手段、第１のコンデンサ）
５２ツェナーダイオード（充電手段）
５４コンデンサ（充電手段、第２のコンデンサ）
ＲＡＭＰランプ端子（出力端子）

Claims

供給される交流電力の交流波形を全波整流する整流回路と、
前記整流回路に接続され、当該整流回路により全波整流されて流れる電流の電流値に応じたエネルギが蓄積されるコイルと、
入力されるパルス信号に基づいて前記コイルへの電流の通電、非通電を切り替えるスイッチング素子と、
前記コイルに蓄積されたエネルギに基づいて当該コイルから出力された電流を平滑化し、平滑化された直流電力を出力する直流出力部と、
予め定めた電流値の電流を出力して充電を行う出力端子を有し、前記直流出力部から出力される直流電力の電圧レベルが予め定めた出力電圧レベルから低下するほど切替電圧レベルを高く定めて周期的に前記出力端子から電流を出力して充電を行い、前記出力端子の電圧レベルが前記切替電圧レベルとなる期間の間、前記スイッチング素子をオンさせるパルス信号を出力する制御回路と、
前記切替電圧レベルが予め定めた閾値電圧以上となった場合に容量が増加し、前記出力端子に接続されて当該出力端子から供給される電流を充電する充電手段と、
を備えた電源装置。
前記充電手段を、第１のコンデンサと、降伏電圧を前記閾値電圧としたツェナーダイオード及び第２のコンデンサを直列に接続した直列回路とを並列に接続して構成した
請求項１記載の電源装置。
前記コイル及び前記スイッチング素子を各々２つ設けて、第１のコイルと第２のコイルを前記整流回路に並列に接続し、第１のスイッチング素子で前記第１のコイルへの電流の通電、非通電を切り替え、第２のスイッチング素子で前記第２のコイルへの電流の通電、非通電を切り替え、
前記制御回路は、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子に対して交互にオンさせるパルス信号を出力する
請求項１又は請求項２記載の電源装置。