JPH10127048A

JPH10127048A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH10127048A
Application number: JP8272729A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Nakamura; 俊朗中村
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1996-10-15
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 1998-05-15

Abstract

(57)【要約】【課題】負荷へ送る電力を調整するためのスイッチング
手段を有する電源装置において、複雑な付加回路や別の
スイッチング素子を付加することなく、素子に不要な耐
量を持たせないようにして、入力力率や波形歪みを改善
する。【解決手段】交流電源ＰＳを整流回路Ｒｅｃ１により整
流し、平滑コンデンサＣ０により平滑して得た直流電源
を、スイッチング素子Ｓ１によりスイッチングして、イ
ンダクタＬｓにエネルギーを蓄積し、インダクタＬｓの
エネルギーをダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ
０に放出すると共に、限流要素Ｚ１と整流要素Ｒｅｃ２
を介して負荷とコンデンサＣ１に伝達するようなチョッ
パー回路において、コンデンサＣｓとダイオードＤ０を
付加し、交流電源ＰＳから電流が流れている期間を増大
させ、入力力率や波形歪みを改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷へ送る電力を
スイッチング素子により制御する電力変換装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】図２４はコンデンサ入力型の整流平滑回
路を用いた電源装置である。この装置では、交流電源Ｐ
Ｓの電圧のピーク付近でのみ入力電流が流れるため、低
力率で多くの高調波を含み、他の機器へ悪影響があっ
た。そこで、力率を改善し、高調波を抑える手段の１つ
を従来例１として図２５に示す。この装置は特願昭６３
−１６０１６３号に提案されており、交流電源ＰＳを整
流回路Ｒｅｃ１で整流し、インダクタＬ０とコンデンサ
Ｃ０で平滑し、直流電源を作る。これをインバータ回路
ＩＮＶに入力し、その交流出力を負荷（この場合は放電
灯）に供給するものである。このインバータ回路ＩＮＶ
の一部から帰還電流によってコンデンサＣ１を充電す
る。スイッチング素子Ｓ０をオンすることでインダクタ
Ｌ０にコンデンサＣ１の電圧を印加する。スイッチング
素子Ｓ０がオフすることでインダクタＬ０に蓄えられた
エネルギーが交流電源ＰＳ、整流回路Ｒｅｃ１を介し
て、コンデンサＣ０を充電する。このように、交流電源
ＰＳの電圧Ｖ_PSがコンデンサＣ０の電圧より低い場合で
もインダクタＬ０の誘導電圧が交流電源の全波整流波形
に重畳されるので、入力電流が流れる期間が長くなり、
力率と波形歪みが改善される。

【０００３】図２６に従来例２を示す。この装置は特開
平４−８７５６７号に提案されている。スイッチング素
子Ｑ１がオンすると、コンデンサＣ０、インダクタＬ
ｓ、スイッチング素子Ｑ１の経路で電流が流れる。スイ
ッチング素子Ｑ１がオフすると、インダクタＬｓのエネ
ルギーがダイオードＤ０を介してコンデンサＣｓに蓄え
られる。このとき、コンデンサＣｓの電圧は矢印の極性
である。スイッチング素子Ｑ１が再びオンして、コンデ
ンサＣ０、インダクタＬｓ、スイッチング素子Ｑ１の経
路で電流が流れ始めると共に、交流電源ＰＳを全波整流
した電圧と、コンデンサＣｓの電圧が重畳されるので、
整流回路Ｒｅｃ１がオンし、コンデンサＣｓ、スイッチ
ング素子Ｑ１、整流回路Ｒｅｃ１、交流電源ＰＳの経路
で、スイッチング素子Ｑ１を介して交流電源ＰＳに電流
が流れる。このように、交流電源ＰＳに電流が流れる期
間が長くなるので、力率と波形歪みが改善できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述の図２５に示した
従来例１では、力率、効率の改善のために、スイッチン
グ素子Ｓ０が必要となり、コスト上昇の原因になる。ま
た、図２６に示した従来例２では、スイッチング素子Ｑ
１がオンし、コンデンサＣｓに蓄えられた電荷が整流回
路Ｒｅｃ１を介して交流電源ＰＳに流れるとき、限流要
素が無いため、非常に大きな電流が流れることになり、
スイッチング素子Ｑ１の素子耐量の大きなものが必要と
なる。

【０００５】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、負荷へ送る電力を
調整するためのスイッチング手段を有する電源装置にお
いて、複雑な付加回路や、別のスイッチング素子を付加
することなく、また、素子に不要な耐量を持たせないよ
うにして、入力力率や波形歪みを改善することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上記の
課題を解決するために、図１に示すように、交流電源Ｐ
Ｓと、この交流電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１
と、整流回路Ｒｅｃ１の出力を平滑する平滑コンデンサ
Ｃ０と、平滑コンデンサＣ０から負荷に電力を供給する
整流要素Ｒｅｃ２と限流要素Ｚ１を含むインピーダンス
回路と、平滑コンデンサＣ０を直流電圧源としてインピ
ーダンス回路を介して負荷に送られる電力を調整するた
めのスイッチング動作を行うスイッチング素子Ｓ１とを
備える電力変換装置において、平滑コンデンサＣ０の一
端にスイッチング素子Ｓ１の一端を接続し、スイッチン
グ素子Ｓ１の他端と平滑コンデンサＣ０の他端との間に
は、インダクタＬｓが接続されており、このインダクタ
Ｌｓと並列的に前記インピーダンス回路を介して負荷が
接続されており、前記交流電源ＰＳを整流する整流回路
Ｒｅｃ１の一方の整流出力端はダイオードＤ０を介して
平滑コンデンサＣ０の前記他端に接続されており、この
ダイオードＤ０の極性は前記整流回路Ｒｅｃ１から平滑
コンデンサＣ０への充電が可能である向きとなってお
り、前記ダイオードＤ０と前記整流回路Ｒｅｃ１の整流
出力端との接続点は力率改善用のコンデンサＣｓを介し
てスイッチング素子Ｓ１の前記他端に接続されており、
スイッチング素子Ｓ１の両端に整流素子Ｄ１を逆並列に
備え、この整流素子Ｄ１の極性は、平滑コンデンサＣ０
からの電流が流れ出さない向きであることを特徴とする
ものである。

【０００７】図６の実施例では、交流電源ＰＳと、この
交流電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１と、整流回路
Ｒｅｃ１の出力を平滑する平滑コンデンサＣ０とを備
え、この平滑コンデンサＣ０を直流電圧源とし、平滑コ
ンデンサＣ０とスイッチング素子Ｓ１とインダクタＬｓ
によって第１の閉回路を形成して、スイッチング素子Ｓ
１がオンのときに、インダクタＬｓにエネルギーを蓄積
し、スイッチング素子Ｓ１がオフのときに、インダクタ
Ｌｓに蓄積されたエネルギーが負荷側に伝達されるよう
な極性で、負荷とインダクタＬｓとを含む第２の閉回路
内に整流要素Ｄ２が接続されており、出力電圧が入力電
圧以下から入力電圧以上まで調整できる昇降圧型の電力
変換装置において、前記交流電源ＰＳを整流する整流回
路Ｒｅｃ１の一方の整流出力端は、ダイオードＤ０を介
して平滑コンデンサＣ０とインダクタＬｓの接続点に接
続されており、このダイオードＤ０の極性は前記整流回
路Ｒｅｃ１から平滑コンデンサＣ０への充電が可能であ
る向きとなっており、前記ダイオードＤ０と前記整流回
路Ｒｅｃ１の整流出力端との接続点は力率改善用のコン
デンサＣｓを介してスイッチング素子Ｓ１とインダクタ
Ｌｓの接続点に接続されており、スイッチング素子Ｓ１
の両端に整流素子Ｄ１を逆並列に備え、この整流素子Ｄ
１の極性は、平滑コンデンサＣ０からの電流が流れ出さ
ない向きであり、スイッチング素子Ｓ１がオフのとき
に、インダクタＬｓに蓄積されたエネルギーが負荷側に
伝達される第２の閉回路の中に限流要素Ｌ１が接続され
ている。

【０００８】図１７の実施例では、交流電源ＰＳと、こ
の交流電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１と、整流回
路Ｒｅｃ１の出力を平滑する平滑コンデンサＣ０とを備
え、平滑コンデンサＣ０を直流電圧源とし、スイッチン
グ素子Ｓ１と負荷及び負荷の直前に設けられた第１のイ
ンダクタＬ１によって第１の閉回路を形成し、スイッチ
ング素子Ｓ１がオンのときに、負荷にエネルギーを伝達
すると共に第１のインダクタＬ１にエネルギーを蓄積
し、スイッチング素子Ｓ１がオフのときに、第１のイン
ダクタＬ１に蓄積されたエネルギーが負荷側に流れ続け
るように第１のインダクタＬ１と負荷に対して第２の閉
回路を形成するように環流用ダイオードＤｆを接続し
て、出力電圧が入力電圧以下の範囲で調整できる降圧型
の電力変換装置において、前記平滑コンデンサＣ０及び
スイッチング素子Ｓ１と共に第２の閉回路を形成するよ
うに第２のインダクタＬｓを接続し、負荷側からスイッ
チング素子Ｓ１又は第２のインダクタＬｓに電流が流れ
込まないような極性で整流要素Ｄ２が第１のインダクタ
Ｌ１から負荷までの経路中に接続されており、前記交流
電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１の一方の整流出力
端は、ダイオードＤ０を介して平滑コンデンサＣ０と第
２のインダクタＬｓの接続点に接続されており、このダ
イオードＤ０の極性は前記整流回路Ｒｅｃ１から平滑コ
ンデンサＣ０への充電が可能である向きとなっており、
前記ダイオードＤ０と前記整流回路Ｒｅｃ１の整流出力
端との接続点は力率改善用のコンデンサＣｓを介してス
イッチング素子Ｓ１と第２のインダクタＬｓの接続点に
接続されており、スイッチング素子Ｓ１の両端に整流素
子Ｄ１を逆並列に備え、この整流素子Ｄ１の極性は、平
滑コンデンサＣ０からの電流が流れ出さない向きである
ことを特徴とするものである。

【０００９】図２１の実施例では、交流電源ＰＳと、こ
の交流電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１と、整流回
路Ｒｅｃ１の出力を平滑する平滑コンデンサＣ０とを備
え、平滑コンデンサＣ０を直流電圧源とし、インダクタ
Ｌｓと整流要素Ｄ２及び負荷と共に第１の閉回路を形成
し、スイッチング素子Ｓ１がオンしたとき、インダクタ
Ｌｓにエネルギーを蓄積し、スイッチング素子Ｓ１がオ
フしたとき、インダクタＬｓに蓄積されたエネルギーに
よる誘導起電圧と平滑コンデンサＣ０の電圧を重畳した
電圧が負荷側に送られるようにして、出力電圧が入力電
圧以上の電圧で調整できる昇圧型の電力変換装置におい
て、前記交流電源ＰＳを整流する整流回路Ｒｅｃ１の一
方の整流出力端は、ダイオードＤ０を介して平滑コンデ
ンサＣ０とインダクタＬｓの接続点に接続されており、
このダイオードＤ０の極性は前記整流回路Ｒｅｃ１から
平滑コンデンサＣ０への充電が可能である向きとなって
おり、前記ダイオードＤ０と前記整流回路Ｒｅｃ１の整
流出力端との接続点は力率改善用のコンデンサＣｓを介
してスイッチング素子Ｓ１とインダクタＬｓの接続点に
接続されており、スイッチング素子Ｓ１の両端に整流素
子Ｄ１を逆並列に備え、この整流素子Ｄ１の極性は、平
滑コンデンサＣ０からの電流が流れ出さない向きであ
り、平滑コンデンサＣ０とインダクタＬｓ、整流要素Ｄ
２及び負荷を含む第１の閉回路内に限流要素Ｌ１が負荷
直前に接続されており、前記整流要素Ｄ２がオフ状態で
も前記限流要素Ｌ１のエネルギーが負荷に還流するよう
な第２の閉回路を形成するための環流用ダイオードＤｆ
が接続されている。

【００１０】いずれの場合も、力率改善用のコンデンサ
ＣｓとインダクタＬｓ及びダイオードＤ０を含む力率改
善用の回路は、平滑コンデンサＣ０の正側、負側の端子
のうち、少なくとも一方に付加すれば良い。回路定数と
スイッチング条件については、スイッチング素子Ｓ１が
オフした直後から力率改善用のコンデンサＣｓに流れ込
む充電電流が終了した後、力率改善用のコンデンサＣｓ
から平滑コンデンサＣ０に充電する方向に電流が流れる
ときに、力率改善用のコンデンサＣｓの電圧極性が反転
するまで電流が流れ続けて、力率改善用のコンデンサＣ
ｓの反転電圧が交流電源ＰＳの整流電圧以上になるよう
に設定するのが良い。そして、力率改善用のコンデンサ
Ｃｓの反転電圧が上昇し、スイッチング素子Ｓ１の両端
電圧が所定の電圧（略ゼロ電圧）にまで低下したとき
に、スイッチング素子Ｓ１をオンする機能を有すること
が好ましい。負荷への出力電圧は、直流であっても良い
し、また、負荷の直前にインバータ回路を接続し、負荷
への出力電圧を交流出力としても良い（図９、図１
９）。さらに、整流要素をコンデンサＣ２に置き換え
て、負荷への出力電圧を高周波出力としても良い（図１
６、図２３）。また、インダクタＬｓに代えてトランス
Ｔ１を用いても良い（図１１〜図１４）。このトランス
Ｔ１は、スイッチング素子Ｓ１がオンしたときに、１次
側巻線に電流が流れても２次側巻線には電流が流れずに
トランスＴ１にエネルギーが蓄えられて、スイッチング
素子Ｓ１がオフしたときに、２次側巻線に電流が流れ
て、負荷に電力が供給されるようなフライバック動作を
行うもの（図１１）でも良いし、あるいはまた、スイッ
チング素子Ｓ１がオンしたときに、１次側巻線に電流が
流れると２次側巻線にも電流が流れて負荷に電力が供給
され、スイッチング素子Ｓ１がオフすると、１次側、２
次側巻線共に電流は流れないようなフォワード動作を行
うもの（図１４）でも良い。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に本発明の基本的な原理図を
示す。交流電源ＰＳは整流回路Ｒｅｃ１により整流さ
れ、ダイオードＤ０を介してコンデンサＣ０で平滑され
る。コンデンサＣ０を直流電圧源とし、スイッチング素
子Ｓ１をスイッチング動作することで電力がインピーダ
ンス回路Ｚ１、整流回路Ｒｅｃ２を通って負荷に供給さ
れる。なお、コンデンサＣ１は負荷電圧の平滑用コンデ
ンサ、Ｆ１は高周波カット用フィルタである。

【００１２】図２〜図５に動作を示す。スイッチング素
子Ｓ１がオンすると、図２のの経路で、コンデンサＣ
０、スイッチング素子Ｓ１、インダクタＬｓに電流が流
れる。スイッチング素子Ｓ１がオフすると、図３のの
経路でインダクタＬｓのエネルギーが放出される。つま
り、インダクタＬｓ、ダイオードＤ０、コンデンサＣｓ
の経路で電流が流れて、コンデンサＣｓに充電される。
負荷も含めた整流回路Ｒｅｃ２以降の回路には、スイッ
チング素子Ｓ１のオンあるいはオフ時のうち少なくとも
一方の経路で電流が流れる。

【００１３】その後、インダクタＬｓのエネルギーがコ
ンデンサＣｓ及び整流回路Ｒｅｃ２以降の回路に全て放
出された後、コンデンサＣｓ、整流回路Ｒｅｃ１、交流
電源ＰＳ、コンデンサＣ０、インダクタＬｓの経路（図
４のの経路）で電流が流れて、コンデンサＣｓの電荷
がコンデンサＣ０に充電される。

【００１４】コンデンサＣｓの充電電圧がゼロになり、
つづいてコンデンサＣｓに逆極性の電圧で充電されて行
き、その電圧が交流電源ＰＳの整流電圧と等しくなった
とき、スイッチング素子Ｓ１の両端電圧がゼロになるの
で、ダイオードＤ１がオンし、インダクタＬｓ、ダイオ
ードＤ１、コンデンサＣ０の経路（図５のの経路）で
電流が流れる。このとき、スイッチング素子Ｓ１をオン
すれば、オン時にゼロ電圧スイッチングが可能である。

【００１５】スイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、コ
ンデンサＣｓの充電電圧は、コンデンサＣ０の充電電圧
よりも大きく、その後、図４のの経路で電流が流れ
て、コンデンサＣｓの電荷がコンデンサＣ０に充電され
るとき、その充電電流はコンデンサＣｓの電圧が反転す
るまで流れ続け、その反転電圧が交流電源ＰＳの整流電
圧以上に達するように各定数は所定の値になっている。

【００１６】このように、スイッチング素子Ｓ１をスイ
ッチングすることで、強制的に交流電源ＰＳに電流を流
すことができ、これによって、交流電源ＰＳから電流の
流れる期間を長くして、力率・波形を改善するものであ
る。また、図１のように、交流電源ＰＳと整流回路Ｒｅ
ｃ１との間にフィルタＦ１を設け、交流電源ＰＳの周波
数より高いスイッチング素子Ｓ１のスイッチング周波数
成分を除去してもよい。さらに、上述のように、図５の
の経路で電流が流れているときに、ゼロ電圧スイッチ
ングをすることで、従来例２のようにスイッチング素子
をオンしたときに過大な電流が流れる恐れが無い。

【００１７】

【実施例】図６に本発明の実施例１を示す。交流電源Ｐ
Ｓは、ダイオードＤａ〜Ｄｄから成るダイオードブリッ
ジ回路Ｒｅｃ１で全波整流され、ダイオードＤ０を介し
てコンデンサＣ０で平滑される。スイッチング素子Ｓ１
がオンすると、コンデンサＣ０、スイッチング素子Ｓ
１、インダクタＬｓの経路で電流が流れ、インダクタＬ
ｓにエネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｓ１が
オフすると、インダクタＬｓのエネルギーの一部は、イ
ンダクタＬｓ、ダイオードＤ０、コンデンサＣｓの経路
でコンデンサＣｓに充電される。残りのエネルギーはイ
ンダクタＬｓ、負荷・コンデンサＣ１、インダクタＬ
１、ダイオードＤ２の経路で負荷に送られる。インダク
タＬ１はスイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、インダ
クタＬｓに蓄えられたエネルギーが負荷側だけに集中せ
ず、コンデンサＣｓにも充電されるように負荷側の電流
を制限するものである。その後、インダクタＬｓのエネ
ルギーが全て放出された後、コンデンサＣｓ、ダイオー
ドＤｄ（またはＤｂ）、交流電源ＰＳ、ダイオードＤａ
（またはＤｃ）、コンデンサＣ０、インダクタＬｓの経
路で電流が流れて、コンデンサＣｓの電荷がコンデンサ
Ｃ０に充電される。コンデンサＣｓの電荷が全て放電さ
れ、つづいてコンデンサＣｓが逆極性の電圧で充電され
て行き、その電圧が交流電源ＰＳの整流電圧と等しくな
ったとき、スイッチング素子Ｓ１の両端電圧がゼロにな
るので、ダイオードＤ１がオンし、インダクタＬｓ、ダ
イオードＤ１、コンデンサＣ０の経路で電流が流れる。
このとき、スイッチング素子Ｓ１をオンすることでオン
時ゼロ電圧スイッチングが可能となる。

【００１８】スイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、コ
ンデンサＣｓの充電電圧は、コンデンサＣ０の充電電圧
よりも大きく、その後、コンデンサＣｓの電荷がコンデ
ンサＣ０に充電されるとき、その充電電流はコンデンサ
Ｃｓの電圧が反転するまで流れ続け、その反転電圧が交
流電源ＰＳの整流電圧以上に達するように各定数は所定
の値になっている。

【００１９】負荷への電力調整はスイッチング素子Ｓ１
のスイッチング周波数やオン・デューティにより調整が
できる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１とインダクタ
Ｌｓ、ダイオードＤ２、コンデンサＣ１、負荷によって
構成した回路部分で一種の昇降圧チョッパーを構成して
いるので、負荷電圧はゼロから入力電圧以上の範囲で調
整できる。

【００２０】スイッチング素子Ｓ１の状態と、スイッチ
ング素子Ｓ１の電流Ｉ_S1、コンデンサＣｓの電流Ｉ_Cs、
整流回路Ｒｅｃ１の電流Ｉｉｎ、および、インダクタＬ
１に流れる電流Ｉ_L1を図７に示す。また、交流電源ＰＳ
の電圧Ｖ_PS、整流回路Ｒｅｃ１に入力される電流Ｉａ
ｃ、フィルタＦ１に入力される電流Ｉ_PSを図８に示す。
このように、スイッチング素子Ｓ１をスイッチングする
ことで、強制的に交流電源ＰＳに電流を流すことがで
き、交流電源ＰＳに電流の流れる期間を長くして、力率
・波形を改善することができる。

【００２１】図９は負荷として放電灯負荷を用いた場合
の実施例であり、放電灯に交流を印加するために、スイ
ッチング素子Ｓａ〜Ｓｄ、ダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｄか
ら構成されるフルブリッジインバータ回路が平滑コンデ
ンサＣ１の後段に接続されている。ランプ電圧とランプ
電流の各検出値に基づいて出力指令値演算器で演算され
た値が比較器に入力され、三角波高周波発振器からの信
号と比較されて、ＰＷＭ制御信号が作成され、スイッチ
ング素子のオン・デューティが制御される。なお、図１
０のように、整流用ダイオードＤ２、インダクタＬ１の
位置を変更してもよい。

【００２２】次に、図１１に本発明の実施例２を示す。
本実施例は、図６のインダクタＬｓをトランスＴ１で置
換したものである。このトランスＴ１について説明する
と、スイッチング素子Ｓ１がオンしたとき、トランスＴ
１の１次側巻線Ｎ１に電流が流れても、２次側巻線Ｎ２
には電流が流れず、トランスＴ１にエネルギーが蓄えら
れる。スイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、トランス
Ｔ１の２次側巻線Ｎ２に電流が流れて、負荷に電力が供
給される。以上のようなフライバック動作をするトラン
スとなっている。

【００２３】回路の動作については、基本的に実施例１
と同様であり、スイッチング素子Ｓ１がオンすると、コ
ンデンサＣ０、スイッチング素子Ｓ１、トランスＴ１の
１次側巻線Ｎ１の経路で電流が流れ、トランスＴ１にエ
ネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｓ１がオフす
ると、トランスＴ１のエネルギーの一部は、トランスＴ
１の１次側巻線Ｎ１、ダイオードＤ０、コンデンサＣｓ
の経路でコンデンサＣｓに充電される。残りのエネルギ
ーはトランスＴ１の２次側巻線Ｎ２、ダイオードＤ２、
インダクタＬ１、負荷・コンデンサＣ１の経路で負荷に
送られる。トランスＴ１のエネルギーが全て放出された
後、コンデンサＣｓ、ダイオードＤｄ（またはＤｂ）、
交流電源ＰＳ、ダイオードＤａ（またはＤｃ）、コンデ
ンサＣ０、トランスＴ１の１次側巻線Ｎ１の経路でコン
デンサＣｓの電荷がコンデンサＣ０に充電される。コン
デンサＣｓの電荷が全て放電され、つづいてコンデンサ
Ｃｓが逆極性の電圧で充電されて行き、その電圧が交流
電源ＰＳの整流電圧と等しくなったときに、スイッチン
グ素子Ｓ１の両端電圧がゼロになるので、ダイオードＤ
１がオンし、トランスＴ１の１次側巻線Ｎ１、ダイオー
ドＤ１、コンデンサＣ０の経路で電流が流れる。このと
き、スイッチング素子Ｓ１をオンすることでゼロ電圧ス
イッチングが可能となる。このように、スイッチング素
子Ｓ１をスイッチングすることで、強制的に交流電源Ｐ
Ｓに電流を流すことができ、これによって、交流電源Ｐ
Ｓに電流の流れる期間を長くして、力率・波形を改善す
ることができる。

【００２４】本実施例においても、インダクタＬ１はス
イッチング素子Ｓ１がオフしたとき、トランスＴ１に蓄
えられたエネルギーが２次側すなわち負荷側だけに集中
せず、コンデンサＣｓにも充電されるように、負荷側の
電流を制限するものである。

【００２５】図１２の回路は、図１１におけるトランス
Ｔ１の２次側に接続されたインダクタＬ１を省略したも
のである。動作については基本的に上記図１１の回路と
同様であるが、スイッチング素子Ｓ１のオン時にトラン
スＴ１に蓄えられたエネルギーが、スイッチング素子Ｓ
１のオフ時にトランスＴ１の２次側に送られると共に、
１次側漏れリアクタンスに蓄えられたエネルギーが、コ
ンデンサＣｓに充電される。

【００２６】図１３の回路は、図６におけるインダクタ
Ｌ１を単巻トランスＴ１で構成したものである。動作に
ついては基本的に上記図１１の回路と同様である。

【００２７】次に、図１４に本発明の実施例３を示す。
本実施例は、図６のインダクタＬｓをトランスＴ１で置
換したものである。このトランスＴ１について説明する
と、スイッチング素子Ｓ１がオンしたとき、トランスＴ
１の１次側巻線Ｎ１に電流が流れると、２次側巻線Ｎ２
にも電流が流れ、負荷に電力が供給される。また、スイ
ッチング素子Ｓ１がオフすると、トランスＴ１の１次側
巻線Ｎ１、２次側巻線Ｎ２共に電流は流れない。以上の
ようなフォワード動作をするトランスとなっている。

【００２８】動作については基本的に実施例２と酷似し
ているが、スイッチング素子Ｓ１のオン時にトランスＴ
１の２次側にエネルギーが送られる点と、スイッチング
素子Ｓ１のオフ時にトランスＴ１の励磁エネルギーがコ
ンデンサＣｓに充電される点が特徴である。また、図１
３のような単巻トランスに変更したものでもよい。

【００２９】次に、図１５に本発明の実施例４を示す。
この図１５の回路は、図６に示した実施例１の構成にお
いて、インダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、ダイオードＤ
０、スイッチング素子Ｓ１で構成される力率改善用回路
の位置をコンデンサＣ０の正側から負側に変更したもの
である。

【００３０】動作は基本的に実施例１と酷似しており、
スイッチング素子Ｓ１がオンすると、コンデンサＣ０、
インダクタＬｓ、スイッチング素子Ｓ１の経路で電流が
流れ、インダクタＬｓにエネルギーが蓄積される。スイ
ッチング素子Ｓ１がオフすると、インダクタＬｓのエネ
ルギーの一部は、インダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、ダ
イオードＤ０の経路でコンデンサＣｓに充電される。残
りのエネルギーは負荷側に送られる。その後、インダク
タＬｓのエネルギーが全て放出された後、コンデンサＣ
ｓ、インダクタＬｓ、コンデンサＣ０、ダイオードＤｄ
（またはＤｂ）、交流電源ＰＳ、ダイオードＤａ（また
はＤｃ）の経路で電流が流れて、コンデンサＣｓの電荷
がコンデンサＣ０に充電される。コンデンサＣｓの電荷
が全て放電され、つづいてコンデンサＣｓが逆極性の電
圧で充電されて行き、その電圧が交流電源ＰＳの整流電
圧と等しくなったときに、スイッチング素子Ｓ１の両端
電圧がゼロになるので、ダイオードＤ１がオンし、イン
ダクタＬｓ、コンデンサＣ０、ダイオードＤ１の経路で
電流が流れる。このとき、スイッチング素子Ｓ１をオン
することでゼロ電圧スイッチングが可能となる。

【００３１】次に、図１６に本発明の実施例５を示す。
この図１６の回路は、図６に示した実施例１の構成にお
いて、負荷側のダイオードＤ２をコンデンサＣ２に置換
したものである。このコンデンサＣ２は、直流成分を阻
止し、負荷にスイッチング周波数と同じ高周波を印加す
るものである。

【００３２】図１７に本発明の実施例６を示す。交流電
源ＰＳは、ダイオードＤａ〜Ｄｄから成るダイオードブ
リッジ回路Ｒｅｃ１で全波整流され、ダイオードＤ０を
介しコンデンサＣ０で平滑される。スイッチング素子Ｓ
１がオンすると、コンデンサＣ０、スイッチング素子Ｓ
１、インダクタＬｓの経路で電流が流れ、インダクタＬ
ｓにエネルギーが蓄積される。また、ダイオードＤ２、
インダクタＬ１を介して負荷側へも電力が送られると同
時に、インダクタＬ１にもエネルギーが蓄積される。ス
イッチング素子Ｓ１がオフすると、インダクタＬｓに蓄
積されたエネルギーは、インダクタＬｓ、ダイオードＤ
０、コンデンサＣｓの経路でコンデンサＣｓに充電され
る。また、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーはイ
ンダクタＬ１、負荷・コンデンサＣ１、ダイオードＤｆ
の経路で負荷に送られる。その後、インダクタＬｓのエ
ネルギーがコンデンサＣｓに全て放出された後、コンデ
ンサＣｓ、ダイオードＤｄ（またはＤｂ）、交流電源Ｐ
Ｓ、ダイオードＤａ（またはＤｃ）、コンデンサＣ０、
インダクタＬｓの経路で電流が流れ、コンデンサＣｓの
電荷がコンデンサＣ０に充電される。コンデンサＣｓの
電荷が全て放電され、つづいてコンデンサＣｓが逆極性
の電圧で充電されて行き、その電圧が交流電源ＰＳの整
流電圧と等しくなったときにスイッチング素子Ｓ１の両
端電圧がゼロになるので、ダイオードＤ１がオンし、イ
ンダクタＬｓ、ダイオードＤ１、コンデンサＣ０の経路
で電流が流れる。このとき、スイッチング素子Ｓ１をオ
ンすることでオン時ゼロ電圧スイッチングが可能とな
る。

【００３３】スイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、コ
ンデンサＣｓの充電電圧は、コンデンサＣ０の充電電圧
よりも大きく、その後、上述のようにコンデンサＣｓの
電荷がコンデンサＣ０に充電されるとき、その充電電流
はコンデンサＣｓの電圧極性が反転するまで流れ続け、
その反転電圧が交流電源ＰＳの整流電圧以上に達するよ
うに各定数は所定の値になっている。

【００３４】負荷への電力調整はスイッチング素子Ｓ１
のスイッチング周波数やオンデューティにより調整がで
きる。すなわち、スイッチング素子Ｓ１とインダクタＬ
１、ダイオードＤｆ、コンデンサＣ１、負荷によって構
成した回路部分で一種の降圧チョッパーを構成している
ので、負荷電圧はゼロから入力電圧の範囲で調整でき
る。

【００３５】本実施例のスイッチング素子Ｓ１の状態
と、スイッチング素子Ｓ１の電流Ｉ_S1、コンデンサＣｓ
の電流Ｉ_Cs、整流回路Ｒｅｃ１の電流Ｉｉｎを図１８に
示す。また、交流電源ＰＳの電源電圧Ｖ_PS、整流回路Ｒ
ｅｃ１に入力される電流Ｉａｃ、フィルタ回路Ｆ１に入
力される電流Ｉ_PSを図８に示す。このように、スイッチ
ング素子Ｓ１をスイッチングすることで強制的に交流電
源ＰＳに電流を流すことができ、これによって、交流電
源ＰＳに電流の流れる期間を長くして、力率・波形を改
善することができる。

【００３６】図１９は負荷として放電灯負荷を用いた場
合の実施例であり、放電灯に交流を印加するために、ス
イッチング素子Ｓａ〜Ｓｄ、ダイオードＤ３ａ〜Ｄ３ｄ
から構成されるフルブリッジインバータ回路が平滑コン
デンサＣ１の後段に接続されている。

【００３７】図２０に本発明の実施例７を示す。図２０
の回路は、図１７に示した実施例６の構成において、イ
ンダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、ダイオードＤ０、スイ
ッチング素子Ｓ１で構成される力率改善用回路の位置を
コンデンサＣ０の正側から負側に変更したものである。
動作は基本的に実施例６と酷似しているが、スイッチン
グ素子Ｓ１がオンすると、コンデンサＣ０、インダクタ
Ｌｓ、スイッチング素子Ｓ１の経路で電流が流れ、イン
ダクタＬｓにエネルギーが蓄積される。同時に負荷側に
電力が送られ、インダクタＬ１にエネルギーが蓄積され
る。スイッチング素子Ｓ１がオフすると、インダクタＬ
ｓのエネルギーは、インダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、
ダイオードＤ０の経路でコンデンサＣｓに充電される。
また、インダクタＬ１のエネルギーはインダクタＬ１、
コンデンサＣ１・負荷、ダイオードＤｆの経路で負荷に
送られる。その後、インダクタＬｓのエネルギーが全て
放出された後、コンデンサＣｓ、インダクタＬｓ、コン
デンサＣ０、ダイオードＤｄ（またはＤｂ）、交流電源
ＰＳ、ダイオードＤａ（またはＤｃ）の経路でコンデン
サＣｓの電荷がコンデンサＣ０に充電される。コンデン
サＣ０の電荷が全て放電され、つづいてコンデンサＣｓ
が逆極性の電圧で充電されて行き、その電圧が交流電源
ＰＳの整流電圧と等しくなったときに、スイッチング素
子Ｓ１の両端電圧がゼロになるので、ダイオードＤ１が
オンし、インダクタＬｓ、コンデンサＣ０、ダイオード
Ｄ１の経路で電流が流れる。このとき、スイッチング素
子Ｓ１をオンすることで、ゼロ電圧スイッチングが可能
となる。

【００３８】図２１に本発明の実施例８を示す。交流電
源ＰＳは、ダイオードＤａ〜Ｄｄから成る整流回路Ｒｅ
ｃ１で全波整流され、ダイオードＤ０を介してコンデン
サＣ０で平滑される。スイッチング素子Ｓ１がオンする
と、コンデンサＣ０、インダクタＬｓ、スイッチング素
子Ｓ１の経路で電流が流れ、インダクタＬｓにエネルギ
ーが蓄積される。スイッチング素子Ｓ１がオフすると、
インダクタＬｓに蓄積されたエネルギーの一部は、イン
ダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、ダイオードＤ０の経路で
コンデンサＣｓに充電される。残りのエネルギーは、イ
ンダクタＬｓの誘導起電圧とコンデンサＣ０の電圧を重
畳した電圧の形で、インダクタＬｓ、ダイオードＤ２、
インダクタＬ１、負荷・コンデンサＣ１、コンデンサＣ
０の経路を通って負荷に送られる。その後、インダクタ
Ｌｓのエネルギーが全て放出された後、コンデンサＣ
ｓ、インダクタＬｓ、コンデンサＣ０、ダイオードＤｄ
（またはＤｂ）、交流電源ＰＳ、ダイオードＤａ（また
はＤｃ）の経路でコンデンサＣｓの電荷がコンデンサＣ
０に充電される。コンデンサＣｓの電荷が全て放電さ
れ、つづいてコンデンサＣｓが逆極性の電圧で充電され
て行き、その電圧が交流電源ＰＳの整流電圧と等しくな
ったときに、スイッチング素子Ｓ１の両端電圧がゼロに
なるので、ダイオードＤ１がオンし、インダクタＬｓ、
コンデンサＣ０、ダイオードＤ１の経路で電流が流れ
る。このとき、スイッチング素子Ｓ１をオンすることで
ゼロ電圧スイッチングが可能となる。

【００３９】スイッチング素子Ｓ１がオフしたとき、コ
ンデンサＣｓの充電電圧は、コンデンサＣ０の充電電圧
よりも大きく、その後、コンデンサＣｓの電荷がコンデ
ンサＣ０に充電されるとき、その充電電流はコンデンサ
Ｃｓの電圧が反転するまで流れ続け、その反転電圧が交
流電源ＰＳの整流電圧以上に達するように各定数は所定
の値になっている。

【００４０】負荷への供給電力は、スイッチング素子Ｓ
１のスイッチング周波数やオンデューティにより調整で
きる。スイッチング素子Ｓ１、インダクタＬ１、ダイオ
ードＤｆ、コンデンサＣ１、負荷によって構成した回路
部分で一種の昇圧チョッパーを構成しているので、負荷
電圧は入力電圧以上の電圧で調整できる。

【００４１】本実施例のスイッチング素子Ｓ１の状態
と、スイッチング素子Ｓ１の電流Ｉ_S1、コンデンサＣｓ
の電流Ｉ_Cs、整流回路Ｒｅｃ１の電流Ｉｉｎを図１８に
示す。また、交流電源ＰＳの電源電圧Ｖ_PS、整流回路Ｒ
ｅｃ１に入力される電流Ｉａｃ、フィルタ回路Ｆ１に入
力されるされる電流Ｉ_PSを図８に示す。このように、ス
イッチング素子Ｓ１をスイッチングすることで強制的に
交流電源ＰＳに電流を流すことができ、これによって、
交流電源ＰＳに電流の流れる期間を長くして、力率・波
形を改善することができる。

【００４２】図２２に本発明の実施例９を示す。図２２
の回路は、図２１に示した実施例８の構成において、イ
ンダクタＬｓ、コンデンサＣｓ、ダイオードＤ０で構成
される力率改善用回路の位置を変更したものである。動
作は基本的に実施例８と酷似しているが、スイッチング
素子Ｓ１がオンすると、コンデンサＣ０、スイッチング
素子Ｓ１、インダクタＬｓの経路で電流が流れ、インダ
クタＬｓにエネルギーが蓄積される。スイッチング素子
Ｓ１がオフすると、インダクタＬｓに蓄積されたエネル
ギーの一部は、インダクタＬｓ、ダイオードＤ０、コン
デンサＣｓの経路でコンデンサＣｓに充電される。残り
のエネルギーは、インダクタＬｓの誘導起電圧とコンデ
ンサＣ０の電圧を重畳した電圧の形で、インダクタＬ
ｓ、コンデンサＣ０、ダイオードＤ２、インダクタＬ
１、負荷・コンデンサＣ１の経路を通って負荷に送られ
る。その後、インダクタＬｓのエネルギーが全て放出さ
れた後、コンデンサＣｓ、ダイオードＤｄ（またはＤ
ｂ）、交流電源ＰＳ、ダイオードＤａ（またはＤｃ）、
コンデンサＣ０、インダクタＬｓの経路でコンデンサＣ
ｓの電荷がコンデンサＣ０に充電される。コンデンサＣ
ｓの電荷が全て放電され、つづいてコンデンサＣｓが逆
極性の電圧で充電されて行き、その電圧が交流電源ＰＳ
の整流電圧と等しくなったときに、スイッチング素子Ｓ
１の両端電圧がゼロになるので、ダイオードＤ１がオン
し、インダクタＬｓ、ダイオードＤ１、コンデンサＣ０
の経路で電流が流れる。このとき、スイッチング素子Ｓ
１をオンすることでゼロ電圧スイッチングが可能とな
る。

【００４３】図２３に本発明の実施例１０を示す。この
図２３の回路は、図２１に示した実施例８における負荷
側のダイオードＤ２をコンデンサＣ２に置換したもので
ある。このコンデンサＣ２は、直流成分を阻止し、負荷
にスイッチング周波数と同じ高周波を印加するものであ
る。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、１つのスイッチング素
子で構成されるチョッパー回路等のような電力変換装置
において、ダイオード、インダクタ、コンデンサから成
る力率改善用回路を設けることで力率、波形が改善で
き、スイッチング素子の数を増やす必要がなく、比較
的、低コストで実現可能である。また、コンデンサの急
激な充放電もないため、スイッチング素子の電流耐量を
それほど上げなくても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的な原理を説明するための回路図
である。

【図２】図１の回路の第１の動作を説明するための回路
図である。

【図３】図１の回路の第２の動作を説明するための回路
図である。

【図４】図１の回路の第３の動作を説明するための回路
図である。

【図５】図１の回路の第４の動作を説明するための回路
図である。

【図６】本発明の実施例１の回路図である。

【図７】図６の回路の高周波的な動作を示す波形図であ
る。

【図８】図６の回路の低周波的な動作を示す波形図であ
る。

【図９】本発明の実施例１を放電灯点灯装置に適用した
例を示す回路図である。

【図１０】本発明の実施例１の負荷側の整流要素と限流
要素の配置を変更した例を示す回路図である。

【図１１】本発明の実施例２の回路図である。

【図１２】本発明の実施例２の負荷側の限流要素を省略
した例を示す回路図である。

【図１３】本発明の実施例２のトランスを単巻トランス
に変更した例を示す回路図である。

【図１４】本発明の実施例３の回路図である。

【図１５】本発明の実施例４の回路図である。

【図１６】本発明の実施例５の回路図である。

【図１７】本発明の実施例６の回路図である。

【図１８】図６の回路の高周波的な動作を示す波形図で
ある。

【図１９】本発明の実施例６を放電灯点灯装置に適用し
た例を示す回路図である。

【図２０】本発明の実施例７の回路図である。

【図２１】本発明の実施例８の回路図である。

【図２２】本発明の実施例９の回路図である。

【図２３】本発明の実施例１０の回路図である。

【図２４】従来のコンデンサ入力型の整流平滑回路の回
路図である。

【図２５】入力力率と波形歪みを改善した従来例１の回
路図である。

【図２６】入力力率と波形歪みを改善した従来例２の回
路図である。

【符号の説明】

ＰＳ交流電源Ｒｅｃ１整流回路Ｄ０ダイオードＤ１ダイオードＣ０平滑コンデンサＣｓ力率改善用コンデンサＬｓインダクタＳ１スイッチング素子Ｚ１限流要素

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源と、この交流電源を整流する
整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサ
と、平滑コンデンサから負荷に電力を供給する整流要素
と限流要素を含むインピーダンス回路と、平滑コンデン
サを直流電圧源としてインピーダンス回路を介して負荷
に送られる電力を調整するためのスイッチング動作を行
うスイッチング素子とを備える電力変換装置において、
平滑コンデンサの一端にスイッチング素子の一端を接続
し、スイッチング素子の他端と平滑コンデンサの他端と
の間には、インダクタが接続されており、このインダク
タと並列的に前記インピーダンス回路を介して負荷が接
続されており、前記交流電源を整流する整流回路の一方
の整流出力端はダイオードを介して平滑コンデンサの前
記他端に接続されており、このダイオードの極性は前記
整流回路から平滑コンデンサへの充電が可能である向き
となっており、前記ダイオードと前記整流回路の整流出
力端との接続点は力率改善用のコンデンサを介してスイ
ッチング素子の前記他端に接続されており、スイッチン
グ素子の両端に整流素子を逆並列に備え、この整流素子
の極性は、平滑コンデンサからの電流が流れ出さない向
きであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】交流電源と、この交流電源を整流する
整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサ
とを備え、この平滑コンデンサを直流電圧源とし、平滑
コンデンサとスイッチング素子とインダクタによって第
１の閉回路を形成して、スイッチング素子がオンのとき
に、インダクタにエネルギーを蓄積し、スイッチング素
子がオフのときに、インダクタに蓄積されたエネルギー
が負荷側に伝達されるような極性で、負荷とインダクタ
とを含む第２の閉回路内に整流要素が接続されており、
出力電圧が入力電圧以下から入力電圧以上まで調整でき
る昇降圧型の電力変換装置において、前記交流電源を整流する整流回路の一方の整流出力端
は、ダイオードを介して平滑コンデンサとインダクタの
接続点に接続されており、このダイオードの極性は前記
整流回路から平滑コンデンサへの充電が可能である向き
となっており、前記ダイオードと前記整流回路の整流出
力端との接続点は力率改善用のコンデンサを介してスイ
ッチング素子とインダクタの接続点に接続されており、
スイッチング素子の両端に整流素子を逆並列に備え、こ
の整流素子の極性は、平滑コンデンサからの電流が流れ
出さない向きであり、スイッチング素子がオフのとき
に、インダクタに蓄積されたエネルギーが負荷側に伝達
される第２の閉回路の中に限流要素が接続されているこ
とを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】交流電源と、この交流電源を整流する
整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサ
とを備え、平滑コンデンサを直流電圧源とし、スイッチ
ング素子と負荷及び負荷の直前に設けられた第１のイン
ダクタによって第１の閉回路を形成し、スイッチング素
子がオンのときに、負荷にエネルギーを伝達すると共に
第１のインダクタにエネルギーを蓄積し、スイッチング
素子がオフのときに、第１のインダクタに蓄積されたエ
ネルギーが負荷側に流れ続けるように第１のインダクタ
と負荷に対して第２の閉回路を形成するように環流用ダ
イオードを接続して、出力電圧が入力電圧以下の範囲で
調整できる降圧型の電力変換装置において、前記平滑コンデンサ及びスイッチング素子と共に第２の
閉回路を形成するように第２のインダクタを接続し、負
荷側からスイッチング素子又は第２のインダクタに電流
が流れ込まないような極性で整流要素が第１のインダク
タから負荷までの経路中に接続されており、前記交流電
源を整流する整流回路の一方の整流出力端は、ダイオー
ドを介して平滑コンデンサと第２のインダクタの接続点
に接続されており、このダイオードの極性は前記整流回
路から平滑コンデンサへの充電が可能である向きとなっ
ており、前記ダイオードと前記整流回路の整流出力端と
の接続点は力率改善用のコンデンサを介してスイッチン
グ素子と第２のインダクタの接続点に接続されており、
スイッチング素子の両端に整流素子を逆並列に備え、こ
の整流素子の極性は、平滑コンデンサからの電流が流れ
出さない向きであることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】交流電源と、この交流電源を整流する
整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサ
とを備え、平滑コンデンサを直流電圧源とし、インダク
タと整流要素及び負荷と共に第１の閉回路を形成し、ス
イッチング素子がオンしたとき、インダクタにエネルギ
ーを蓄積し、スイッチング素子がオフしたとき、インダ
クタに蓄積されたエネルギーによる誘導起電圧と平滑コ
ンデンサの電圧を重畳した電圧が負荷側に送られるよう
にして、出力電圧が入力電圧以上の電圧で調整できる昇
圧型の電力変換装置において、前記交流電源を整流する整流回路の一方の整流出力端
は、ダイオードを介して平滑コンデンサとインダクタの
接続点に接続されており、このダイオードの極性は前記
整流回路から平滑コンデンサへの充電が可能である向き
となっており、前記ダイオードと前記整流回路の整流出
力端との接続点は力率改善用のコンデンサを介してスイ
ッチング素子とインダクタの接続点に接続されており、
スイッチング素子の両端に整流素子を逆並列に備え、こ
の整流素子の極性は、平滑コンデンサからの電流が流れ
出さない向きであり、平滑コンデンサとインダクタ、整
流要素及び負荷を含む第１の閉回路内に限流要素が負荷
直前に接続されており、前記整流要素がオフ状態でも前
記限流要素のエネルギーが負荷に還流するような第２の
閉回路を形成するための環流用ダイオードが接続されて
いることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】スイッチング素子がオフした直後から
力率改善用のコンデンサに流れ込む充電電流が終了した
後、力率改善用のコンデンサから平滑コンデンサに充電
する方向に電流が流れるときに、力率改善用のコンデン
サの電圧極性が反転するまで電流が流れ続けて、力率改
善用のコンデンサの反転電圧が交流電源の整流電圧以上
になるように、回路定数とスイッチング条件を設定した
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記
載の電力変換装置。