JPH0898533A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ９５％以上の力率を有して高調波歪が少な
く、且つ低コストのアクティブフィルタ回路を有する電
源回路を提供する。 【構成】 高周波回路２０に電源供給する電源回路１５
は、商用交流電源（５０Ｈｚ）１を入力とするブリッジ
整流回路４と、該ブリッジ整流回路４の出力に接続され
た高調波歪が発生しない程度に小容量の第一のコンデン
サＣ01と、該第一のコンデンサＣ01両端にあらわれる脈
流電源Ｖ１から高周波スイッチングにより第一のコンデ
ンサＣ01と直列接続された第二のコンデンサＣ02両端に
直流電源Ｖ２をつくるように構成されたインダクタＬ２
とスイッチングトランジスタＱ１とスイッチング制御回
路１６で構成されるアクティブフィルタ回路１７と、を
備えるとともに、前記第一のコンデンサＣ01両端にあら
われる脈流電源Ｖ１と前記第二のコンデンサＣ02両端に
作られる直流電源Ｖ２が加算された直流電源Ｖ３を出力
とする構成である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波蛍光灯点灯装置を
はじめとする電源回路の力率及び高調波歪の改善に関
し、さらに詳細には、小型、軽量、高力率、低コストが
要請される高周波蛍光灯点灯装置等の機器に対して有効
な電源回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】代表的な従来の蛍光灯点灯装置に使用さ
れる電源回路例を図７〜図１０を基に説明する。

【０００３】図７（Ａ）はコンデンサインプット型電源
回路であり、歴史的に多く使用されてきたものである
が、力率が悪く省エネルギーの観点から改善要請が高ま
っている。

【０００４】即ち、商用交流電源（５０／６０Ｈｚ）１
は本電源回路の入力（Ｖｉｎ）となり、２は整流回路、
３は平滑回路であり、ダイオードＤ１にて正極側を整流
し電解コンデンサＣ１を充電する。また、ダイオードＤ
２にて負極側を整流し電解コンデンサＣ２を充電する構
成である。このため、出力電圧Ｖｏ、入力電圧Ｖｉｎ、
入力電流Ｉｉｎが図７（Ｂ）に示す波形となり、半サイ
クル毎に正負の入力電流Ｉｉｎが小さな導通角αで流入
する。

【０００５】前記回路は簡易であり効率がよいので使用
される機会が多いが、導通角αが狭いが故に力率は５０
〜７０％程度となり皮相電力が大きく電送経路の電力損
失が無視できず、全体として省エネルギーとならない。

【０００６】上記問題の対策として古くから図８に示す
ような低周波用チョークコイルＬｏとブリッジ整流回路
４と電解コンデンサＣ１で構成される所謂チョークイン
プット型が使用されてきたが、商用交流電源１に接続さ
れた前記低周波用チョークコイルＬｏ自体が非常に大き
く、コスト、重量、スペースの点から敬遠され、僅かに
小容量（数十ワット以下）の電源として使用されるにす
ぎない状況にある。

【０００７】次に、図９（Ａ）に示す電流補償型の場合
は、ブリッジ整流回路４のダイオードＤ１〜Ｄ４にて両
波整流され、平滑・電流補償回路５で電解コンデンサＣ
１→ダイオードＤ６→インダクタＬ１→電解コンデンサ
Ｃ２の経路にてＣ１、Ｃ２がｔ１期間充電される（図９
（Ｂ）参照）。この際電解コンデンサＣ１、Ｃ２は同一
容量とすることが必要条件となる。

【０００８】整流後の電圧Ｖｏが時間とともに減少して
ピーク値の５０％に達した時点で電解コンデンサＣ１お
よびＣ２に蓄積された電荷が電解コンデンサＣ１→負荷
→ダイオードＤ５、電解コンデンサＣ２→ダイオードＤ
７→負荷の各々の経路を通って並列に負荷に電力をｔ２
期間供給することとなる。

【０００９】このようにして上記電流補償型整流・平滑
回路の場合は交流電圧ピーク値の５０％までの期間ｔ１
内で入力電流Ｉｉｎが流入し、図９（Ｂ）のように前記
コンデンサインプット型倍電圧整流回路（図７）の場合
に比較して導通角αが拡大して力率が改善される。

【００１０】上記回路では力率９０％前後まで改善可能
である。しかし、出力電圧が必然的に決定されるため
（最小値がピーク値の５０％）、高い電圧を要する場合
には別途昇圧する必要があるという欠点を有している。
さらに回路の構成上、電解コンデンサＣ１、Ｃ２の充電
電圧は最大Ｖｏの半分なので倍電圧整流回路の適用には
無理がある点も適用範囲を狭める要因となっている。

【００１１】また昨今の力率改善要請は９５％以上を目
標とされているので、本回路では十分でない。

【００１２】次に図１０（Ａ）は所謂アクティブフィル
タ方式の電源回路であって、基本的には力率１００％を
目指したものであり、流入する電流Ｉｉｎが入力電圧Ｖ
ｉｎに比例するようにアクティブフィルタ回路７内のス
イッチングトランジスタＱ１のスイッチング動作をスイ
ッチング制御回路６で制御し、図１０（Ｂ）の入力電流
電圧波形図に示すように高周波スイッチングされた入力
電流８（Ｉｒ）の平均値９（入力平均電流）が整流電圧
１０（Ｖｉ）に比例するようにしている。

【００１３】上記アクティブフィルタ回路７の特徴につ
いて詳述すれば、ライン電圧、ライン電流の瞬時値を検
出し、ラインに直列に挿入されたチョークコイルＬ１、
およびスイッチングトランジスタＱ１のスイッチによ
り、スイッチングの１サイクル内での実効値（ΔＶ／Δ
Ｉ＝Ｒ）が一定となるように制御するものである。なお
スイッチング周波数は数１０ＫＨｚ以上に選定されるの
が一般的である。

【００１４】また、スイッチング制御方式は可変周波数
方式、パルス幅制御方式等があり、用途に適した方式が
選定される。

【００１５】以上に述べた各種電源回路は例えば直流電
源として電力Ｖｏを該電源回路に接続された高周波回路
（所謂インバータ回路）に供給して高周波蛍光灯点灯装
置等の高周波電源を構成する。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】最近、電子機器から発
生する高調波に起因する電源ラインの波形歪（高調波
歪）が問題視されているが、この波形歪が大きくなると
同じ電源ラインに接続される電子機器や電力供給源とし
ての変電所機器に誤動作や破損を引き起こすことがある
（高調波妨害と称される）。

【００１７】この点、電源ラインに接続される機器が純
粋な抵抗またはインダクタ、キャパシタのみで構成され
る場合には、電源ライン電圧と電流の位相差に応じ力率
が低下するので、無効電流が増加するもののライン電圧
を歪ませることはない。しかしながら、多くの機器で直
流化されるようになった現在、ダイオードとコンデンサ
で構成される整流回路は、電源ラインに対して非線形負
荷として作用し、電源ラインに流れる電流のピーク値は
平均電流の５〜１０倍も流れて電源ラインに著しい歪を
生じさせ、高調波妨害の問題が顕現する。したがって該
高調波歪を低減させるためには商用交流電源の入力電圧
波形（正弦波）と入力電流波形を相似形に比例させるこ
と、即ち力率を高くする必要がある。

【００１８】一方、前述の如く従来の整流・平滑回路
（図７、図９）における力率の改善は満足できる状態で
はなく、力率の悪さは上記高調波歪の他に無効電力が大
きく送電側の電送路での損失増大を招き、また電源スイ
ッチやコネクタの負荷が増大して信頼性を損なう要因の
一つにもなっている。

【００１９】この点、前述のアクティブフィルタ方式
（図１０）を用いて力率の向上を図ると、（１）入力電
流の減少、（２）入力電圧の広範囲化、（３）入力配線
による電圧降下減少、（４）高調波電流の減少、（５）
入力平滑コンデンサのリップル減少等の改善ができる。

【００２０】しかしながら、上記方式は力率改善の点か
らすればほぼ完全に近いものの、図１０（Ａ）より明ら
かなようにアクティブフィルタ回路７は商用交流電源１
の入力電流Ｉｉｎを全てスイッチングしており、入力に
対して出力ロスが生じ効率が悪くなるという問題点があ
った。また、各素子が大きくなりコストがかかるという
問題点があった。したがって、低コストの要請が厳しい
蛍光灯点灯装置等にはそのまま適用することは今後難し
くなる。

【００２１】以上述べたように、従来の電源回路におい
て、電流補償型は力率はかなり改善されるものの回路構
成的に出力電圧が低く昇圧の必要がある点および倍電圧
整流が適用出来ない点、アクティブフィルタ方式は力率
は理想的であるが回路が複雑で高コストになる点で各々
問題があった。

【００２２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、アクティブフィルタ方式による電源部分を５０％
以下に抑えて小型、軽量、低コスト化を達成しつつ力率
を改善した電源回路を提供するものである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】本発明は、商用交流電源
を入力とするブリッジ整流回路と、該ブリッジ整流回路
の出力に接続された高調波歪が発生しない程度に小容量
の第一のコンデンサと、該第一のコンデンサ両端にあら
われる脈流電源から高周波スイッチングにより第一のコ
ンデンサと直列接続された第二のコンデンサ両端に直流
電源をつくるように構成されたインダクタとスイッチン
グトランジスタとスイッチング制御回路で構成されるア
クティブフィルタ回路と、を備えるとともに、前記第一
のコンデンサ両端にあらわれる脈流電源と前記第二のコ
ンデンサ両端に作られる直流電源が加算された直流電源
を出力とすることを特徴とする電源回路を提供すること
により、上記目的を達成するものである。

【００２４】

【作用】本発明における電源回路においては、商用交流
電源を入力とするブリッジ整流回路の出力に接続された
高調波歪が発生しない程度に小容量の第一のコンデンサ
Ｃ01に充電される脈流電源を第一の電源（Ｖ１）とし、
上記脈流電源Ｖ１をステップアップ電源としてスイッチ
ングトランジスタＱ１の高周波スイッチングにより作っ
た直流電源を第二の電源（Ｖ２）とする。そして上記第
一の電源Ｖ１と第二の電源Ｖ２を直列に接続したものを
第三の電源Ｖ３として使用する。

【００２５】したがって、アクティブフィルタ回路で作
った第二の電源部分（Ｖ２）が全体の５０％以下のため
（図３参照）アクティブフィルタ回路内の各素子は小
型、軽量、低コストであるにもかかわらず出力電圧のＶ
３は高電圧で電源容量が大きく、且つ約９８％の高力率
が得られる。

【００２６】出力としての第三の電源Ｖ３はリップルを
含み、完全な直流電源ではないが蛍光灯点灯装置等に使
用する高周波回路の供給電源としては十分である。

【００２７】入力電圧変動や負荷変動に対して出力電圧
（Ｖ３）が一定に保たれるので、多灯用の蛍光灯点灯装
置の電源回路として必要条件である負荷変動安定性が向
上する。

【００２８】

【実施例】本発明に係わる電源回路の実施例及び試作結
果を図１〜図６を基に詳述する。尚、既述の従来例と同
等部分については同符号にて指称する。

【００２９】図１は本発明に係わる電源回路１５を用い
た高周波蛍光灯点灯装置の回路例であり、本電源回路１
５は、商用交流電源（５０／６０Ｈｚ）１を入力とする
ブリッジ整流回路４と、該ブリッジ整流回路４の出力に
接続された高調波歪が発生しない程度に小容量の第一の
コンデンサＣ01と、該第一のコンデンサＣ01両端にあら
われる脈流電源Ｖ１から高周波スイッチングにより第一
のコンデンサＣ01と直列接続された第二のコンデンサＣ
02両端に直流電源Ｖ２をつくるように構成されたインダ
クタＬ２とスイッチングトランジスタＱ１とスイッチン
グ制御回路１６で構成されるアクティブフィルタ回路１
７と、を備えるとともに、前記第一のコンデンサＣ01両
端にあらわれる脈流電源Ｖ１と前記第二のコンデンサＣ
02両端に作られる直流電源Ｖ２が加算された直流電源Ｖ
３を出力とする構成となっている。

【００３０】尚、上記電源回路１５は高周波回路２０
（所謂インバータ回路である。）に直流電源Ｖ３を供給
し、該高周波回路２０の高周波出力には負荷の蛍光灯Ｆ
Ｌ（単灯もしくは多灯）が接続されている。

【００３１】上記高周波蛍光灯点灯装置の点灯方式はＬ
Ｃ共振方式であり、蛍光管ＦＬと直列に接続されたイン
ダクタＬXと蛍光管ＦＬと並列に接続されたコンデンサ
ＣXとの直列共振方式である。本試作では上記蛍光管Ｆ
Ｌ３２Ｓを５灯並列に接続した。

【００３２】また、商用交流電源（本試作では５０Ｈ
ｚ）１に接続されているノイズフィルタ回路１１は雑音
防止用である。

【００３３】次に、第一のコンデンサＣ01はフィルムコ
ンデンサであり、本試作では２．２μＦとした。該Ｃ01
の容量が大きいとコンデンサインプット型となって波形
歪を生じて力率が悪くなり、また、後述のようにスイッ
チングを行うので高周波とはいえある程度蓄積する必要
がある。したがって上記Ｃ01の容量決定は慎重に吟味す
べきである。

【００３４】また、上記第二のコンデンサＣ02は電解コ
ンデンサであり、本試作では５６０μＦとした。

【００３５】次に、抵抗Ｒ１、Ｒ２と電解コンデンサＣ
03は図１における出力としての直流電源Ｖ３電圧を平均
化して監視するものであり、スイッチング制御回路１６
へ帰還してＶ３が一定になるようにスイッチング制御回
路１６は動作する。

【００３６】上記制御方式は可変周波数方式とした。
尚、本試作ではアクティブフィルタ回路１７の発振周波
数は５０ＫＨｚに設定されている。

【００３７】以下本試作結果を以下に詳述する。

【００３８】図２は第一のコンデンサＣ01両端の脈流電
圧Ｖ１の電圧波形であり、図３は直流電源Ｖ３の電圧波
形である。また、図４はアクティブフィルタ回路のイン
ダクタＬ２の電流波形であり、図５は上記インダクタＬ
２の電流ＩL 波形の拡大図である。また、図６は商用交
流電源１より供給する入力電圧Ｖｉｎ、入力電流Ｉｉｎ
の波形図である。

【００３９】図２より第一のコンデンサであるフィルム
コンデンサＣ01両端には最大１４１Ｖの脈流電圧（第一
の電源）Ｖ１があらわれていることがわかる。そして該
脈流電圧Ｖ１をステップアップ電源としてアクティブフ
ィルタ回路１７のスイッチングトランジスタＱ１のスイ
ッチング動作によりインダクタＬ２には図４に示される
スイッチング入力電流Ｉｒ（最大５．２Ａ）が流れてエ
ネルギーが蓄積され、ダイオードＤ８を通して電解コン
デンサの第二のコンデンサＣ02を充電して両端に８４Ｖ
の直流電源（第二の電源）Ｖ２を作る。

【００４０】上記スイッチング動作を詳述すると、図５
のＩｒ波形の拡大図に示されるようにスイッチングトラ
ンジスタＱ１がオン時にインダクタＬ２にエネルギーが
蓄積され（“イ”部）、Ｑ１がオフ時に上記蓄積された
エネルギーを第二のコンデンサである電解コンデンサＣ
02に充電する（“ロ”部）。

【００４１】その結果、直列接続された第一のコンデン
サＣ01と第二のコンデンサＣ02の両端にはリップルを含
む脈流電圧Ｖ１とアクティブフィルタ回路１７によって
作られたリップルの殆ど無い直流電圧Ｖ２が加算された
図３に示される第三の電源Ｖ３の電圧波形（最大２２５
Ｖ）が得られる。

【００４２】図中、８４Ｖの直流成分がスイッチング電
源（アクティブフィルタ回路１７）により作ったＶ２
で、１４１Ｖの脈流電圧成分が商用交流電源１を全波整
流しただけの第一の電源Ｖ１となる。

【００４３】この第三の電源Ｖ３は多少のリップルを含
んでいるが蛍光灯負荷の場合は直流電源として問題ない
レベルである。しかるに本電源回路１５は上記実施例の
ように直流電源Ｖ３を直接使わず、高周波回路２０の供
給電源として使用するようなインバータ機器の電源装置
に好適といえる。

【００４４】本実施例の高周波蛍光灯点灯装置の試作結
果によれば、図６に示されるように、入力電圧Ｖｉｎ＝
１００Ｖ；５０Ｈｚで入力電流Ｉｉｎ＝１．３７７Ａ、
入力電力１３５Ｗとなり、導通角はほぼ１００％に達し
ており、入力電流Ｉｉｎ波形は多少立ち上がりに歪があ
るものの概ね入力電圧Ｖｉｎ波形と相似形であり、力率
９８％が得られた。

【００４５】以上のように本発明の電源回路はアクティ
ブフィルタ回路を使用しつつも該アクティブフィルタ回
路によって作った直流電源のみならず脈流電源を加算し
ているので電源容量が大きく、アクティブフィルタ回路
は小型にできて効率が良いという利点がある。しかも力
率は従来のアクティブフィルタ回路（図１０）と同等の
９８％程度が確保される。

【００４６】したがって、本電源回路を使用すれば電源
容量に余裕が生まれ多灯蛍光管等の負荷変動に対する安
定性が向上することは明らかである。

【００４７】

【発明の効果】本発明に係わる電源回路は、上記のよう
に構成されているため、以下に記載するような効果を有
する。

【００４８】（１）小型、軽量、低コストでありながら
約９８％の高い力率の電源回路が実現し、特に高周波蛍
光灯点灯装置等の力率改善と低コスト化が実現されると
いう優れた効果を有する。

【００４９】（２）電源電圧の簡易安定化ができ、多灯
用蛍光灯点灯装置等の負荷変動安定性が向上するという
優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる電源回路を用いた高周波蛍光
灯点灯装置の回路例である。

【図２】 第一のコンデンサＣ01両端の脈流電圧Ｖ１の
電圧波形図である。

【図３】 直流電源Ｖ３の電圧波形図である。

【図４】 アクティブフィルタ回路のインダクタＬ２の
電流波形図である。

【図５】 インダクタＬ２の電流ＩL 波形の拡大図であ
る。

【図６】 商用交流電源１より供給する入力電圧Ｖｉ
ｎ、入力電流Ｉｉｎの波形図である。

【図７】 （Ａ）は従来のコンデンサインプット型電源
回路であり、（Ｂ）は同回路の入力電圧・入力電流波形
図である。

【図８】 従来のチョークインプット型電源回路であ
る。

【図９】 （Ａ）は従来の電流補償型電源回路であり、
（Ｂ）は同回路の出力電圧・入力電圧・入力電流の各波
形図である。

【図１０】 （Ａ）は従来のアクティブフィルタ方式の
電源回路であり、（Ｂ）は入力電流・入力電圧波形図で
ある。

【符号の説明】

Ｃ１、Ｃ２、Ｃ03 電解コンデンサ Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード Ｌｏ 低周波用チョークコイル Ｌ１ チョークコイル Ｌ２ インダクタ ＬX インダクタ ＣX コンデンサ Ｃ01 第一のコンデンサ（フィルムコンデンサ） Ｃ02 第二のコンデンサ（電解コンデンサ） Ｃ03 電解コンデンサ Ｒ１、Ｒ２ 抵抗 ＦＬ 蛍光管 Ｑ１〜Ｑ３ スイッチングトランジスタ Ｖｏ 出力電圧 Ｖｉｎ 入力電圧 Ｖ１ 脈流電源（第一の電源） Ｖ２ 直流電源（第二の電源） Ｖ３ 加算された直流電源（第三の電源） Ｉｉｎ 入力電流 α 導通角 １ 商用交流電源（５０／６０Ｈｚ） ２ 整流回路 ３ 平滑回路 ４ ブリッジ整流回路 ５ 平滑・電流補償回路 ６、１６ スイッチング制御回路 ７、１７ アクティブフィルタ回路 ８ スイッチング入力電流（＝Ｉｒ） ９ 入力平均電流 １０ 整流電流 １１ ノイズフィルタ １５ 電源回路 ２０ 高周波回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を入力とするブリッジ整流
   回路と、該ブリッジ整流回路の出力に接続された高調波
   歪が発生しない小容量の第一のコンデンサと、該第一の
   コンデンサ両端にあらわれる脈流電源から高周波スイッ
   チングにより第一のコンデンサと直列接続された第二の
   コンデンサ両端に直流電源をつくるように構成されたイ
   ンダクタとスイッチングトランジスタとスイッチング制
   御回路で構成されるアクティブフィルタ回路と、を備え
   るとともに、前記第一のコンデンサ両端にあらわれる脈
   流電源と前記第二のコンデンサ両端に作られる直流電源
   が加算された直流電源を出力とすることを特徴とする電
   源回路。