JPH1014232A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 一石形スイッチング電源において、少ない部
品の追加で、力率改善とスイッチング損失の軽減および
その過電圧防止を行う。 【構成】 トランスに第二の二次巻線ＮＳ２を設け、ス
イッチオン期間に付勢されたトランスのエネルギの一部
を、スイッチオフ期間に、二次巻線ＮＳ２から、コンデ
ンサＣおよびライン交流電源を介して、トランスの一次
側電源である平滑コンデンサＣＲに還流させる。スイッ
チオン期間に、コンデンサＣを逆向きに充電、リセット
する。スイッチオフ期間において、二次巻線ＮＳ２の両
端電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧に達したとき、二次
巻線ＮＳ２の電流を整流器を介して平滑コンデンサＣＲ
に直接還流させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング電源の力
率改善を主目的とし、併せてスイッチング損失の軽減、
スイッチオフ期間におけるスイッチの過電圧を防止する
方法に係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】力率改善方法には、各種の方式がある。
力率改善を施していないスイッチング電源の前段に、ア
クティブフィルタ、例えばリアクトル、コンデンサ、ス
イッチからなるブースタを設ける方式は高力率である
が、一般に２コンバータであり高価で、寸法大となる。

【０００３】スイッチング電源の前段にリアクトルを設
ける方式は簡単な構成であるが、高重量になる。図６に
示すワンコンバータのフライバック形（例えば、日刊工
業新 ページ（２） 聞社 電子技術 １９９４ ＶＯＬ．３６ ＮＯ．３
Ｐ５１−５６参照）は構成が簡単で力率がよいが、一次
側に平滑コンデンサがないため、負荷に電源周波数の２
倍のリプルが生ずる。

【０００４】簡易形の力率改善回路例は他にもあるが
（例えば前記文献参照）、力率改善のためのリアクトル
を設けたり、２スイッチ式にする等コスト高となるもの
が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
が有するこのような問題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、少ない部品の付加で、力
率を向上し、併せてスイッチング損失の軽減、スイッチ
の過電圧を防止できるスイッチング電源を提供するもの
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明はトランスに第二の二次巻線ＮＳ２を設け、
スイッチオン期間に付勢されたトランスのエネルギの一
部を、スイッチオフ期間に、二次巻線ＮＳ２から、コン
デンサＣおよびライン交流電源を介して、トランスの一
次側電源である平滑コンデンサＣＲに還流させる。二次
巻線ＮＳ２とライン交流電源は、トランスのエネルギが
ライン交流電源を付勢する向きに接続する。

【０００７】スイッチオン期間に、コンデンサＣを逆向
きに充電、リセットする。

【０００８】スイッチオフ期間において、二次巻線ＮＳ
２の両端電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧に達したと
き、二次巻線ＮＳ２の電流が整流器を介して平滑コンデ
ンサＣＲに直接還流するようにしてもよい。

【０００９】

【作用】

ページ（３） 二次巻線ＮＳ２の負荷は、コンデンサＣとライン交流電
源および平滑コンデンサＣＲの直列回路である。

【００１０】スイッチがターンオフすると二次巻線ＮＳ
２の電圧および電流は、ターンオフ直前のトランスのア
ンペアターンを維持しようとして、前記直列回路の電圧
の和に等しい電圧値に変化するとともに、前記アンペア
ターンに対応する電流でコンデンサＣおよび平滑コンデ
ンサＣＲを充電し始める。即ち、トランスのエネルギが
ライン交流電源を介して平滑コンデンサＣＲに還流され
るようになる。

【００１１】ライン交流電源の電圧が平滑コンデンサＣ
Ｒの電圧より低い領域でも、二次巻線ＮＳ２の電圧がこ
れに加わり、ライン電流を流す。

【００１２】ターンオフ直後の二次巻線ＮＳ２の電圧
は、ライン交流電源の電圧、コンデンサＣのスイッチオ
ン期間におけるリセット電圧および平滑コンデンサＣＲ
の電圧でクランプされる。その後はコンデンサＣとトラ
ンスのインダクタンスによる共振周波数で変化する。ス
イッチ電圧は二次巻線ＮＳ２の電圧変化に規制される。
コンデンサＣのリセット電圧を平滑コンデンサＣＲの電
圧と等しくした場合、ライン交流電源の電圧が平滑コン
デンサＣＲの電圧近傍にあるときのターンオフは、零電
圧スイッチングに近い。

【００１３】スイッチオフ期間において、トランスの二
次巻線ＮＳ２の電流が整流器を介して平滑コンデンサＣ
Ｒに直接還流するようにした場合、それ以降、ライン交
流電源を介する還流電流は消滅する。二次巻線ＮＳ２の
電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧にクランプされるの
で、スイッチ電圧もクランプされる。

【００１４】

【実施例】図１はフライバック形コンバータに、本発明
の力率改善回路を付加した実施例の要部である。図２は
その動作波形の模式図である。

【００１５】 ページ（４） 平滑コンデンサ１０（前記平滑コンデンサＣＲに対応す
る）は、トランス４に対する直流電源で、整流器３、５
を介してライン交流電源１から充電される。

【００１６】スイッチ７はトランジスタ等の電子スイッ
チで、自励または他励により、例えば周波数１００ｋＨ
ｚでオンオフする。出力電力は、スイッチ７のオフ期間
にトランス４の二次巻線ＮＳから整流器８を介して負荷
９に出力される。スイッチ７のデュティは、例えば負荷
９の電圧が一定となるよう制御する。フィルタ２は低域
フィルタである。二次巻線ＮＳと第二の二次巻線ＮＳ２
の巻数比は後述するように、スイッチ７のオフ期間にお
いて、二次巻線ＮＳが先に導通するように選定する。

【００１７】時刻Ｔ０に、スイッチ７がオンすると、ト
ランス４の一次巻線Ｎ１は平滑コンデンサ１０から付勢
されて一次電流Ｉ１が流れ、コンデンサ１１（前記コン
デンサＣに対応する）は、二次巻線ＮＳ２により整流器
５を介して図示の極性に充電される。図２のＶはコンデ
ンサ１１の電圧である。

【００１８】時刻Ｔ１に、スイッチ７がターンオフした
直後、二次巻線ＮＳ２の電圧は、その電圧とコンデンサ
１１、ライン交流電源１の電圧の総和が平滑コンデンサ
１０の電圧に等しくなる値に変化し、二次巻線ＮＳ２に
電流ＩＦが流れ、コンデンサ１１、整流器３、フィルタ
２、ライン交流電源１を介して平滑コンデンサ１０に還
流される。その期間、整流器５は逆バイアスされる。

【００１９】コンデンサ１１の逆充電が進み、トランス
各巻線の電圧極性が逆転し、時刻Ｔ２に、二次巻線ＮＳ
の電圧が負荷９のそれを超えると、二次巻線ＮＳが導通
し整流器８を介して二次電流Ｉ２が流れる。

【００２０】コンデンサ１１の逆充電が更に進み、時刻
Ｔ３に、二次巻線ＮＳ２の電圧が平滑コンデンサ１０の
電圧に達すると、二次巻線ＮＳ２の電流は整流器６を介
して直接、平滑コンデンサ１０に還流される。この時点
でスイッチ７の両端電圧ＶＣ ページ（５） Ｅは最大になる。整流器３、フィルタ２、ライン交流電
源１を介する還流電流ＩＦは消滅する。

【００２１】時刻Ｔ４にトランス４の磁束がリセットさ
れ、その際、コンデンサ１１の電圧が反転する。時刻Ｔ
５に１サイクルが終わる。ライン交流電源１の電圧が大
きい領域では、時刻Ｔ４にコンデンサ１１の電圧が反転
する際、その電圧とライン交流電源１の電圧の和が平滑
コンデンサ１０の電圧を超えると、超過分がコンデンサ
１１から平滑コンデンサ１０に放電される。

【００２２】図１の力率改善回路はフィードフォワード
形コンバータにも適用できる。

【００２３】図３はハーフブリッジ形コンバータに、本
発明の力率改善回路を付加した他の実施例の要部であ
る。図４はその動作波形の模式図である。

【００２４】平滑コンデンサ１０１、１０２（それぞれ
前記平滑コンデンサＣＲに対応する）は、トランス４０
に対する直流電源で、整流器３、５１、５２を介してラ
イン交流電源１から充電される。

【００２５】スイッチ７１、７２を交互にオンオフする
と、トランス４０の一次巻線Ｎ１１に交流電流が流れ、
出力電力は、二次巻線ＮＳＰを介して負荷９０に出力さ
れる。

【００２６】コンデンサ１１１、１１２はそれぞれ前記
コンデンサＣに対応するもので、トランス４０の一次巻
線Ｎ１１の電流方向に応じて交互に、図１のコンデンサ
１１と類似の動作をする。いま、コンデンサ１１１、１
１２は、図３に示す極性に充電されているとする。図４
のＶ１、Ｖ２はそれぞれコンデンサ１１１、１１２の電
圧である。

【００２７】時刻Ｔ０に、スイッチ７１がオンすると、
トランス４０の一次巻線Ｎ１１は平 ページ（６） 滑コンデンサ１０１から付勢され、出力電力は二次巻線
ＮＳＰを介して負荷９０に出力される。コンデンサ１１
２は、整流器５２を介して二次巻線ＮＳ２の電圧にリセ
ットされる。コンデンサ１１１は整流器５１に阻止され
て電流が流れず、その電圧は変らない。

【００２８】時刻Ｔ１に、スイッチ７１がターンオフす
ると、二次巻線ＮＳ２の電圧が変化し、、平滑コンデン
サ１０１、１０２への還流電流ＩＦが、二次巻線ＮＳ２
から整流器５１、整流器３、ライン交流電源１、フィル
タ２およびコンデンサ１１２を介して流れる。整流器５
２は逆バイアスされて電流が流れない。もし、整流器５
１が逆バイアスされていると、その導通が回復するまで
二次巻線ＮＳ２の電圧が変化する。また、コンデンサ１
１１、１１２とライン交流電源１の電圧の直列和が、平
滑コンデンサ１０１、１０２の電圧の直列和を超える場
合は、コンデンサ１１１、１１２が放電し、整流器５１
の導通が回復して還流電流ＩＦが流れる。

【００２９】コンデンサ１１２の逆充電が進み、トラン
ス各巻線の電圧極性が逆転し、時刻Ｔ２に整流器６２が
導通すると、トランス４０の残留エネルギは一次巻線Ｎ
１１、整流器６２を介して直接、平滑コンデンサ１０２
へ還流される。二次巻線ＮＳ２からライン交流電源１を
介した平滑コンデンサ１０１、１０２への還流電流ＩＦ
は消滅する。コンデンサ１１１は整流器５１を介して図
示の極性に充電され、その電圧Ｖ１は最大になる。スイ
ッチ７１の両端電圧ＶＣＥ１も最大になる。

【００３０】時刻Ｔ３に、トランス４０の磁束がリセッ
トされる。その際、一次巻線Ｎ１１と二次巻線ＮＳ２の
巻数比や、その時点におけるライン交流電源１の電圧の
大きさによっては、コンデンサ１１２が二次巻線ＮＳ２
を介して放電し電圧が反転する。また、そのとき、コン
デンサ１１１、１１２の電圧とライン交流電源１の電圧
の直列和が平滑コンデンサ１０１、１０２の電圧の直列
和を超えると、コンデンサ１１１、１１２がライン交流
電源１を介して平滑コンデンサ１０１、１０２に放電す
る。 ページ（７）

【００３１】時刻Ｔ４に、スイッチ７２がオンして、前
半サイクルが終わるとともに後半サイクルに入る。後半
サイクルＴ４〜Ｔ８における動作は前半サイクルと対称
的で、例えば、コンデンサ１１１の動作は前半サイクル
におけるコンデンサ１１２の動作と同様になる。時刻Ｔ
８に１サイクルが終わる。

【００３２】図３の力率改善回路はフルブリッジ形、プ
ッシュプル形コンバータ等にも適用できる。

【００３３】本発明の力率改善回路の構成は、図１、図
３の実施例に限定されるものではない。例えば図５は、
図３と同じハーフブリッジ形コンバータに、本発明の他
の力率改善回路を付加した実施例である。２つの第二の
二次巻線ＮＳ２１、ＮＳ２２を有すること以外は同じ
で、力率改善回路は図１、図３のそれと同様の動作をす
る。ライン交流電源は単相、三相いずれでもよく、ま
た、整流方式は全波、半波いずれでもよい。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、上述のとおり構成されている
ので、次に記載する効果を奏する。

【００３５】ライン交流電源の１サイクルにおいて、電
源電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧より低い領域でも、
二次巻線ＮＳ２の電圧が電源電圧に加わり、ライン電流
を流す。したがって、交流電源サイクルの広い範囲でラ
イン電流が流れ、力率が向上する。

【００３６】コンデンサＣのクランプ作用で、ターンオ
フ直後のスイッチ電圧の上昇が緩やかであり、スイッチ
のターンオフ損失が少ない。特に、コンデンサＣのリセ
ット電圧を平滑コンデンサＣＲの電圧と等しくした場
合、ライン交流電源の電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧
近傍にあるときのターンオフは零電圧スイッチングに近
い。 ページ（８）

【００３７】請求項２のスイッチング電源においては、
スイッチオフ期間において二次巻線ＮＳ２の電圧がクラ
ンプされる結果、スイッチの電圧もクランプされ、過電
圧から保護される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例の回路要部図である。

【図２】図１の回路の動作波形模式図である。

【図３】本発明の第二実施例の回路要部図である。

【図４】図３の回路の動作波形模式図である。

【図５】図３に係わる本発明の他の実施例回路要部図で
ある。

【図６】従来例の回路要部図である。

【符号の説明】

Ｎ１、Ｎ１１ 一次巻線 ＮＳ、ＮＳＰ、ＮＳ２、ＮＳ２１、ＮＳ２２ 二次巻線 １ 交流電源 ２ フィルタ ３、５、６、８、５１、５２、６１、６２ 整流器 ４、４０ トランス ７、７１、７２ スイッチ ９、９０ 負荷 １０、１０１、１０２ 平滑コンデンサ １１、１１１、１１２ コンデンサ ＶＣＥ スイッチ７の電圧波形 ページ（９） ＶＣＥ１ スイッチ７１の電圧波形 ＶＣＥ２ スイッチ７２の電圧波形 Ｖ コンデンサ１１の電圧波形 Ｖ１ コンデンサ１１１の電圧波形 Ｖ２ コンデンサ１１２の電圧波形

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ライン交流電源から整流器を介して直流
   電力が供給される平滑コンデンサＣＲをトランスの一次
   側電源とするスイッチング電源において、スイッチオン
   期間に平滑コンデンサＣＲから付勢されたトランスのエ
   ネルギの一部を、スイッチオフ期間に、トランスの第二
   の二次巻線ＮＳ２から、ライン交流電源を付勢する向き
   に、コンデンサＣおよびライン交流電源を介して、平滑
   コンデンサＣＲに還流させ、スイッチオン期間に、コン
   デンサＣを、前記方向と逆向きに充電リセットするよう
   にした力率改善回路を有するスイッチング電源。
2. 【請求項２】 スイッチオフ期間において、二次巻線Ｎ
   Ｓ２の両端電圧が平滑コンデンサＣＲの電圧に達したと
   き、トランスの二次巻線ＮＳ２の電流が整流器を介して
   平滑コンデンサＣＲに直接還流するようにした請求項１
   記載のスイッチング電源。