力率改善電流共振コンバータ
【課題】縦続接続された二つのコンバータ回路でのスイッチング動作の干渉をなくした力率改善電流共振コンバータを提供する。
【解決手段】電流共振コンバータ回路を構成するスイッチＱ１，Ｑ２、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、トランスＴ、ダイオードＤ１，Ｄ２、平滑コンデンサＣｏおよび制御回路ＣＯＮＴと、力率改善コンバータ回路を構成するチョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、平滑コンデンサＣｓおよびスイッチＱ３とを備え、スイッチＱ３をトランスＴの第２の巻線Ｐ２に発生する電圧によってオン・オフさせる。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路と同期してスイッチング動作されるため、スイッチング動作の干渉がなく、しかも、専用の制御回路が不要なため、コストを低減することができる。
【解決手段】電流共振コンバータ回路を構成するスイッチＱ１，Ｑ２、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、トランスＴ、ダイオードＤ１，Ｄ２、平滑コンデンサＣｏおよび制御回路ＣＯＮＴと、力率改善コンバータ回路を構成するチョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、平滑コンデンサＣｓおよびスイッチＱ３とを備え、スイッチＱ３をトランスＴの第２の巻線Ｐ２に発生する電圧によってオン・オフさせる。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路と同期してスイッチング動作されるため、スイッチング動作の干渉がなく、しかも、専用の制御回路が不要なため、コストを低減することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は力率改善電流共振コンバータに関し、特に力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correct）コンバータ回路と電流共振コンバータ回路とを縦続接続して構成される力率改善電流共振コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置として、直流入力電圧を昇圧または降圧して一定の直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータがある。ＤＣ−ＤＣコンバータとして、共振コンバータ回路が知られている。この共振コンバータ回路は、直流入力電圧が変化しない場合に良好な出力の負荷特性が得られる特性を有している。このため、共振コンバータ回路の入力電源として商用交流電源を使用する場合、前段に力率改善コンバータ回路を設けて入力される電圧をあらかじめ安定化させておく構成がよく用いられている（たとえば、特許文献１，２参照）。このような２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータの具体的な構成例を以下に示す。
【０００３】
図１３は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
このＤＣ−ＤＣコンバータは、直流の電圧Ｖｓを入力して直流の電圧Ｖｏを出力する電流共振コンバータ回路１００と、商用交流電源１２０をダイオードブリッジＤＢで整流した電圧Ｖｄから直流の電圧Ｖｓを出力する力率改善コンバータ回路１１０とを備えている。
【０００４】
電流共振コンバータ回路１００では、二つのスイッチＱ１，Ｑ２の直列回路が直流の電圧Ｖｓに対して並列に接続されており、スイッチＱ１，Ｑ２のゲートには、制御回路ＣＯＮＴ１が接続されている。電流共振コンバータ回路１００は、また、直列に接続された共振コンデンサＣｒおよび共振インダクタＬｒを備え、共振インダクタＬｒは、トランスＴの一次側の巻線Ｐ１に接続されている。このトランスＴの巻線Ｐ１の等価回路は、励磁インダクタンスＬｍが並列に接続されているものとなっている。トランスＴの二次側の巻線Ｓ１，Ｓ２は、ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏからなって電圧Ｖｏを出力する整流・平滑回路が接続されている。平滑コンデンサＣｏには、これと並列にフィードバック回路１０２が接続されている。このフィードバック回路１０２は、出力の電圧Ｖｏの変動に応じて発光するフォトカプラＰＣｅ（発光ダイオード）と、その発光された光を受けるフォトカプラＰＣｒ（フォトトランジスタ）とを備え、受光側のフォトカプラＰＣｒのフォトトランジスタは、制御回路ＣＯＮＴ１に接続されている。制御回路ＣＯＮＴ１は、出力の電圧Ｖｏを基にして、二つのスイッチＱ１，Ｑ２のオン時間またはスイッチング周波数を制御して出力の電圧Ｖｏを安定化している。
【０００５】
力率改善コンバータ回路１１０は、チョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、スイッチＱ３、平滑コンデンサＣｓ、電流検出用の抵抗Ｒｓおよび制御回路ＣＯＮＴ２を備えている。制御回路ＣＯＮＴ２は、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓを検出するとともにチョークコイルＬｐに流れる電流を検出抵抗Ｒｓにより検出し、これらの値を基にスイッチＱ３を制御し、入力電流を正弦波状にして力率を向上させている。
【０００６】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータは、電流共振コンバータ回路１００および力率改善コンバータ回路１１０に制御回路ＣＯＮＴ１，ＣＯＮＴ２を備え、制御回路ＣＯＮＴ１，ＣＯＮＴ２がそれぞれ独立して動作している。このため、電流共振コンバータ回路１００および力率改善コンバータ回路１１０では、それぞれの制御方式も異なっており、さらにスイッチング周波数も異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９７３０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２０４０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、二つのコンバータ回路がそれぞれ異なる動作をするため、お互いのスイッチング動作の干渉が生じ、このため不安定動作が発生するという問題点があった。
【０００９】
また、２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、異なるスイッチング周波数での動作であるため、スイッチングノイズ低減のためのノイズフィルタが複雑になり、さらに制御回路も二つ必要であるため、部品点数が多くコスト増になるという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、縦続接続された二つのコンバータ回路でのスイッチング動作の干渉をなくし、コストを抑制することのできる力率改善電流共振コンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記の課題を解決するために、電流共振コンバータ回路の前段に力率改善コンバータ回路を縦続接続して構成した力率改善電流共振コンバータにおいて、力率改善コンバータ回路は、独立して動作する専用の制御回路を持たず、電流共振コンバータ回路のスイッチング動作によって発生される電圧を利用することで電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期したスイッチング動作を行うようにした。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の力率改善電流共振コンバータは、力率改善コンバータ回路を、電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期してスイッチング動作させるようにしたことで、力率改善電流共振コンバータの動作周波数が一つに統一されるという利点がある。これによって、力率改善電流共振コンバータの動作が安定し、ノイズの発生も抑制され、力率改善電流共振コンバータの性能を向上させることができる。
【００１３】
また、上記構成の力率改善電流共振コンバータは、力率改善コンバータ回路が独立して動作する専用の制御回路を持たないことで、力率改善電流共振コンバータのコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図２】整流回路の出力電圧波形例を示す図である。
【図３】力率改善電流共振コンバータの各部の電流波形例を示す図である。
【図４】チョークコイル電流および入力電流を示す波形例の図である。
【図５】第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図７】第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図８】第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図９】第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１０】第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１１】第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１２】第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１３】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、図１３で示した回路素子に対応した機能を有する回路素子には同じ符号を付してある。
【００１６】
図１は第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図、図２は整流回路の出力電圧波形例を示す図、図３は力率改善電流共振コンバータの各部の電流波形例を示す図、図４はチョークコイル電流および入力電流を示す波形例の図である。
【００１７】
第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、電流共振コンバータ回路と力率改善コンバータ回路とを備え、これら電流共振コンバータ回路および力率改善コンバータ回路を一つの制御回路ＣＯＮＴで制御する構成を有している。力率改善コンバータ回路は、商用交流電源１０をダイオードブリッジＤＢで整流した脈流の電圧Ｖｄを入力して電圧変換された直流の電圧Ｖｓを出力し、電流共振コンバータ回路は、電圧Ｖｓを入力して直流の電圧Ｖｏを出力する。
【００１８】
電流共振コンバータ回路では、電圧Ｖｓに対して直列接続の二つのスイッチＱ１，Ｑ２が並列に接続されている。スイッチＱ１，Ｑ２は、この実施の形態では、ＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）を使用している。すなわち、電圧Ｖｓの正極側の端子は、スイッチＱ２のドレイン端子に接続され、スイッチＱ２のソース端子は、スイッチＱ１のドレイン端子に接続され、スイッチＱ１のソース端子は、電圧Ｖｓの負極側の端子に接続されている。
【００１９】
電圧Ｖｓの正極側の端子は、また、共振コンデンサＣｒの一端に接続され、共振コンデンサＣｒの他端は、共振インダクタＬｒの一端に接続されている。共振インダクタＬｒの他端は、トランスＴの一次側の巻線Ｐ１の一端に接続され、巻線Ｐ１の他端は、スイッチＱ１，Ｑ２の共通の接続点に接続されている。トランスＴの巻線Ｐ１の等価回路は、巻線Ｐ１の両端に励磁インダクタンスＬｍが並列に接続されているものとなっている。トランスＴは、また、一次側に第２の巻線Ｐ２を有し、その一端は、抵抗Ｒ１を介して制御回路ＣＯＮＴの制御入力端子に接続され、他端は、制御回路ＣＯＮＴのグランド端子に接続されている。
【００２０】
トランスＴは、二次側に二つの巻線Ｓ１，Ｓ２を有し、互いに直列に接続されている。巻線Ｓ１，Ｓ２の両端子には、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノード端子が接続され、これらのカソード端子は、互いに接続されて平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続されている。平滑コンデンサＣｏの負極端子は、巻線Ｓ１，Ｓ２の接続点に接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏは、整流・平滑回路を構成し、直流の電圧Ｖｏを出力する。なお、トランスＴのそれぞれの巻線Ｐ１，Ｐ２，Ｓ１，Ｓ２に記したドットは、極性を表している。
【００２１】
平滑コンデンサＣｏには、フィードバック回路１２が接続されている。このフィードバック回路１２は、平滑コンデンサＣｏの正極端子と負極端子との間に接続されて出力の電圧Ｖｏの変動を検出する直列接続の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を有している。また、この抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の直列回路と並列に、電流制限用の抵抗Ｒ１３と、発光側のフォトカプラＰＣｅ（発光ダイオード）と、シャントレギュレータＳＲとの直列回路が接続されている。シャントレギュレータＳＲのリファレンス端子は、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２との共通の接続部が接続されている。一方、発光側のフォトカプラＰＣｅと対をなす受光側のフォトカプラＰＣｒ（フォトトランジスタ）は、制御回路ＣＯＮＴのフィードバック端子とスイッチＱ１のソース端子（グランド端子）との間に接続されている。シャントレギュレータＳＲは、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２によって検出された、図示しないシャントレギュレータＳＲの基準電圧に対する電圧Ｖｏの変動に応じた電流を発光側のフォトカプラＰＣｅに流し、受光側のフォトカプラＰＣｒがその変動に対応する誤差信号を制御回路ＣＯＮＴのフィードバック端子に入力する。
【００２２】
力率改善コンバータ回路では、ダイオードブリッジＤＢが出力する電圧Ｖｄの正極端子は、チョークコイルＬｐの一端に接続され、チョークコイルＬｐの他端は、ダイオードＤｐ１のアノード端子とスイッチＱ３とに接続されている。この実施の形態では、スイッチＱ３は、ＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴを使用しているので、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、スイッチＱ３のドレイン端子に接続されている。ダイオードＤｐ１のカソード端子は、平滑コンデンサＣｓの正極端子に接続され、平滑コンデンサＣｓの負極端子は、ダイオードブリッジＤＢの負極端子、スイッチＱ３のソース端子、および電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のソース端子、すなわちグランド端子に接続されている。
【００２３】
制御回路ＣＯＮＴは、その第１の制御出力がスイッチＱ１のゲート端子に接続され、第２の制御出力がスイッチＱ２のゲート端子に抵抗Ｒ２を介して接続されている。スイッチＱ３のゲート端子は、トランスＴの一次側に設けた第２の巻線Ｐ２の一端に抵抗Ｒ３を介して接続されている。
【００２４】
以上の構成の力率改善電流共振コンバータにおいて、まず、電流共振コンバータ回路では、制御回路ＣＯＮＴがフィードバック回路１２を介して出力の電圧Ｖｏを検出している（より厳密に言えば、出力電圧Ｖｏの基準電圧に対する誤差電圧を検出している。）。制御回路ＣＯＮＴは、この電圧Ｖｏに基づいて二つのスイッチＱ１，Ｑ２のオン時間またはスイッチング周波数を制御して出力の電圧Ｖｏを安定化している。制御回路ＣＯＮＴは、また、トランスＴの一次側に設けた第２の巻線Ｐ２に発生する電圧を入力し、第２のスイッチＱ２のオン・オフ状態を検出している。したがって、この電流共振コンバータ回路では、スイッチＱ２がオンしているとき、スイッチＱ１はオンにされないので、二つのスイッチＱ１，Ｑ２が同時にオンすることはない。
【００２５】
力率改善コンバータ回路では、ダイオードブリッジＤＢと平滑コンデンサＣｓとの間に力率改善用のチョークコイルＬｐおよびダイオードＤｐ１が挿入されており、スイッチＱ３は、トランスＴの一次側の第２の巻線Ｐ２に発生する電圧によって駆動される。チョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、平滑コンデンサＣｓ、およびスイッチＱ３を含む回路は、図１３の昇圧コンバータと同様である。ただし、スイッチＱ３のオン・オフ制御は、この力率改善コンバータ回路に最適化されたものではなく、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期されたものなので、平滑コンデンサＣｓに出力される電圧Ｖｓは、十分に安定化される訳ではない。
【００２６】
力率改善コンバータ回路に入力される電圧Ｖｄは、図２に示したように、商用交流電源１０をダイオードブリッジＤＢで整流した波形を示している。商用交流電源１０の周波数は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、周期は、２０ｍｓまたは１６．７ｍｓであり、電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数（たとえば、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）と比べるとかなり低い。
【００２７】
電流共振コンバータ回路では、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓを入力とするハーフブリッジ型スイッチング回路になっており、上下二つのスイッチＱ１，Ｑ２が交互にオン・オフ制御される。
【００２８】
まず、下側のスイッチＱ１がオンすると、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、トランスＴの一次側の第１の巻線Ｐ１およびスイッチＱ１を経由して電流ＩCrが流れる。このとき、共振コンデンサＣｒおよび共振インダクタＬｒによるＬＣ回路で共振するので、図３に示したように、流れる電流ＩCr1は、第１の巻線Ｐ１を介して２次側に流れる正弦波状の電流（ここで、Ｐ１は理想トランスの構成要素としている。）とトランスＴの励磁インダクタンスＬｍに流れる励磁電流との和となる。一次側の第１の巻線Ｐ１に正弦波の入力が印加されることにより、トランスＴの二次側の巻線Ｓ１には電圧が誘起され、その電圧は、ダイオードＤ１で整流され、平滑コンデンサＣｏで平滑化されて、電圧Ｖｏが得られる。このとき、ダイオードＤ１を流れる電流は、図３に示した電流ＩD1である。また、トランスＴの励磁インダクタンスＬｍには、巻線Ｐ１の電圧が印加されて励磁電流が流れるので、スイッチＱ１には共振電流に励磁電流を加えた電流ＩQ1が流れる。
【００２９】
次に、スイッチＱ１がオフになり、上側のスイッチＱ２がオンすると、巻線Ｐ１、共振インダクタＬｒおよび共振コンデンサＣｒのルートで電流ＩCr2（の励磁電流を除く正弦波成分）が流れる。これにより、トランスＴの二次側の巻線Ｓ２に発生した電圧は、ダイオードＤ２で整流され、平滑コンデンサＣｏで平滑化されて、電圧Ｖｏが得られる。このとき、ダイオードＤ２を流れる電流は、図３に示した電流ＩD2である。この電圧Ｖｏの安定化は、スイッチＱ１，Ｑ２のスイッチング周波数を変化させて行う。
【００３０】
トランスＴの一次側に設けられた第２の巻線Ｐ２は、下側のスイッチＱ１がオンのときに、この巻線Ｐ２に正極の電圧ＶＰ２が発生するように巻かれている。したがって、スイッチＱ１がオンすると、スイッチＱ３もオンし、スイッチＱ１がオフのときは、スイッチＱ３もオフとなる。
【００３１】
スイッチＱ３がオンすると、ダイオードブリッジＤＢと平滑コンデンサＣｓとの間に接続されたチョークコイルＬｐには、ダイオードブリッジＤＢによって整流された電圧Ｖｄが印加され、スイッチＱ３には、図３に示したように、電流ＩP1が流れる。これにより、チョークコイルＬｐにはエネルギが蓄えられる。スイッチＱ１がオフすると、スイッチＱ３もオフとなり、今までチョークコイルＬｐに蓄えられたエネルギは、ダイオードＤｐ１を介して平滑コンデンサＣｓへ移行する。このとき、ダイオードＤｐ１には、図３に示したように、電流ＩP2が流れる。なお、スイッチＱ３がオン・オフしたときにチョークコイルＬｐに流れる電流は、図１，３，４に電流ＩLPで示している。
【００３２】
スイッチＱ３のオン時間は、スイッチＱ１のオン時間に等しい。このスイッチＱ３のオン時間をＴ１とし、スイッチＱ３のオフ時間をＴ２とすると、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓは、式（１）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ／（１−Ｄ）・・・（１）
Ｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）＝０．５・・・（２）
Ｖｓ＝２Ｖｄｐ・・・（３）
ただし、Ｄは、時比率であり、スイッチＱ１およびスイッチＱ２のオン時間が等しい場合は、式（２）のように、Ｄ＝０．５となる。平滑コンデンサＣｓの容量値が大きい場合には、商用交流の周期に対する電圧Ｖｓの電圧変動は、非常に小さいので、この場合の電圧Ｖｓは、式（３）に示されるように、整流された電圧Ｖｄの最大電圧Ｖｄｐの２倍にほぼ等しい値になる。
【００３３】
スイッチＱ３は、電流共振コンバータ回路の下側のスイッチＱ１のオン時間に等しい時間で駆動されるので、図４に示したように、チョークコイルＬｐには、電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数に等しい周波数の電流ＩLPが流れる。このとき、チョークコイルＬｐに流れる電流ＩLPの平均値またはピーク波形はほぼ正弦波となり、力率が向上する。すなわち、負荷の変動がなければ電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数および上記オン時間Ｔ１は一定であり、チョークコイルＬｐに流れる電流のピーク電流はスイッチ素子Ｑ３がオンしたときのチョークコイルＬｐの両端電圧、すなわちダイオードブリッジＤＢの出力電圧に比例することになる。商用交流電源１０から入力される入力電流ＩINは、図示しないフィルタ回路によりチョークコイルＬｐに流れる電流ＩLPを平均化した波形となるので、図４に示すようにほぼ正弦波となる。
【００３４】
以上の構成の力率改善電流共振コンバータによれば、力率改善コンバータ回路を独立して動作するのではなく、電流共振コンバータ回路の制御回路ＣＯＮＴによって制御される力率改善回路として機能させるようにした。この力率改善回路のスイッチを電流共振コンバータ回路のスイッチングに同期してオン・オフさせるので、力率改善コンバータ回路の制御回路が不要となり、コンバータのコストを低減することができる。さらに、コンバータの動作周波数が一つに統一されるため、コンバータの動作が安定し、ノイズの発生も抑制され、コンバータの性能が向上することになる。
【００３５】
図５は第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図５において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータが有する第３のスイッチＱ３を電流共振コンバータ回路の下側のスイッチＱ１で兼用している。
【００３７】
すなわち、この力率改善電流共振コンバータでは、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、ダイオードＤｐ２を介して電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のドレイン端子に接続されている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと変わりがない。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期してオン・オフさせられることになる。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００３８】
なお、ダイオードＤｐ２は、逆流電流防止のためのものである。また、スイッチＱ１は、力率改善コンバータ回路を動作させるスイッチを兼用していることによって、電流ＩP1と電流ＩCr1との和の電流が流れることになるので、上側のスイッチＱ２に比べて流れる電流は大きくなる。
【００３９】
図６は第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図６において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４０】
第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ２を、制御回路ＣＯＮＴによって駆動するのではなく、トランスＴの一次側に設けた第３の巻線Ｐ３に発生する電圧ＶＰ３によって駆動するようにしている。巻線Ｐ３は、下側のスイッチＱ１がオフのときに、正極の電圧ＶＰ３が発生するように巻かれている。このため、この力率改善電流共振コンバータでは、制御回路ＣＯＮＴがスイッチＱ２の駆動を行わない。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと同じである。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００４１】
図７は第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図７において、図５および図６に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータとを組み合わせた構成にしている。
【００４３】
すなわち、トランスＴの一次側に第３の巻線Ｐ３が設けられ、その巻線に発生する電圧ＶＰ３によって上側のスイッチＱ２を駆動するようにしている。また、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、ダイオードＤｐ２を介して電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のドレイン端子に接続されている。スイッチＱ１が力率改善コンバータ回路および電流共振コンバータ回路のスイッチング動作を同時に行うようにしている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと同じである。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００４４】
図８は第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図８において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４５】
第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータの力率改善コンバータ回路のチョークコイルＬｐの構成を変更している。すなわち、チョークコイルＬｐは、その巻線にタップを設けている。つまり、チョークコイルＬｐの巻線は、一つではなく、二つの巻線Ｎ１，Ｎ２で構成して、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧の昇圧比を調整している。図示の力率改善電流共振コンバータでは、巻線Ｎ１と巻線Ｎ２との接続点がスイッチＱ３に接続されている。この場合、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧Ｖｓは、式（４）と式（５）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ・｛１−（１−ｍ）Ｄ｝／（１−Ｄ）・・・（４）
ｍ＝（Ｎ１＋Ｎ２）／Ｎ１・・・（５）
ここで、一例として、Ｎ１＝Ｎ２とし、時比率Ｄ＝０．５の場合、式（５）のｍは２となり、式（４）の電圧Ｖｓは、３Ｖｄとなり、昇圧比は、第１の実施の形態における式（３）の場合よりも増加する。
【００４６】
図９は第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図９において、図８に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４７】
この第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、二つの巻線Ｎ１，Ｎ２を有するチョークコイルＬｐの接続方法を第５の実施の形態によるものから変更している。
【００４８】
すなわち、チョークコイルＬｐの巻線Ｎ１と巻線Ｎ２の接続点は、ダイオードＤｐ１のアノードに接続され、巻線Ｎ２の自由端側は第３のスイッチＱ３に接続されている。この場合、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧Ｖｓは、式（６）と式（７）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ・｛１−（１−ｎ）Ｄ｝／（１−Ｄ）・・・（６）
ｎ＝Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２）・・・（７）
ここで、一例として、Ｎ１＝Ｎ２とし、時比率Ｄ＝０．５の場合、式（７）のｎは、０．５となり、式（６）の電圧Ｖｓは、１．５Ｖｄとなり、昇圧比は、第１の実施の形態における式（３）の場合よりも減少する。
【００４９】
図１０は第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１０において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５０】
この第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１〜第６の実施の形態における力率改善コンバータ回路をＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）コンバータへ置換えた回路にしている。第１〜第６の実施の形態における力率改善コンバータ回路が昇圧型のブーストコンバータであるのに対し、ＳＥＰＩＣコンバータは、ブーストコンバータの中間にコンデンサおよびインダクタを入れ、出力電圧範囲を変更することで降圧も可能にしたものである。
【００５１】
このＳＥＰＩＣコンバータでは、二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２を用いている。チョークコイルＬｐ１は、その一端にダイオードブリッジＤＢによって整流された電圧Ｖｄを受け、他端は、エネルギ転送コンデンサＣｐの一端に接続されている。このチョークコイルＬｐ１とエネルギ転送コンデンサＣｐとの接続点は、スイッチＱ３に接続されている。エネルギ転送コンデンサＣｐの他端は、ダイオードＤｐ１のアノード端子に接続されている。ダイオードＤｐ１のカソード端子は、平滑コンデンサＣｓの正極端子に接続されている。エネルギ転送コンデンサＣｐとダイオードＤｐ１との接続点は、チョークコイルＬｐ２の一端に接続され、チョークコイルＬｐ２の他端は、平滑コンデンサＣｓの負極端子に接続されている。二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２は、互いに独立していて、磁気的に結合していない。ダイオードＤｐ３は、ＳＥＰＩＣコンバータの起動時に平滑コンデンサＣｓに電流を供給して電圧Ｖｓを立ち上げるためのものであり、チョークコイルＬｐ１,ダイオードＤｐ１およびエネルギ転送コンデンサＣｐの直列回路に並列に接続され、ダイオードＤｐ３のカソード端子は平滑コンデンサＣｓの正極に接続される。
【００５２】
ＳＥＰＩＣコンバータの出入力電圧比は、スイッチＱ３のオン時間とオフ時間の比に比例するので、力率改善コンバータ回路の出力電圧をブーストコンバータよりも低く設定することが可能である。
【００５３】
図１１は第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１１において、図１０に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５４】
この第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、第７の実施の形態に二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２を一つのコアに巻いて互いに磁気的に結合し、一つの素子に一体に構成している。なお、図中、チョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２に記したドットは、極性を表している。
【００５５】
図１２は第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１２において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５６】
この第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１ないし第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと比較して、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路の接続位置を変更している。
【００５７】
すなわち、第１ないし第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路は、上側のスイッチＱ２に並列に接続している。これに対し、この第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路は、下側のスイッチＱ１に並列に接続している。また、トランスＴの一次側に設けられた第２の巻線Ｐ２は、逆極性の電圧ＶＰ２を制御回路ＣＯＮＴおよび第３のスイッチＱ３に供給するようにしている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと変わりがない。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期してオン・オフさせられるので、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００５８】
なお、今までは共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１はこの順序で直列に接続して直列回路を形成した場合について説明してきたが、これに限定されるものではない。すなわち、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の接続順は任意であってよいし、この直列回路の共振インダクタＬｒとトランスＴの一次側の巻線Ｐ１との直列回路部分を巻線Ｐ１のみで構成してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 商用交流電源
１２ フィードバック回路
ＣＯＮＴ 制御回路
Ｃｏ 平滑コンデンサ
Ｃｐ エネルギ転送コンデンサ
Ｃｒ 共振コンデンサ
Ｃｓ 平滑コンデンサ
ＤＢ ダイオードブリッジ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄｐ１，Ｄｐ２ ダイオード
Ｌｍ 励磁インダクタンス
Ｌｐ，Ｌｐ１，Ｌｐ２ チョークコイル
Ｌｒ 共振インダクタ
ＰＣｅ フォトカプラ（発光ダイオード）
ＰＣｒ フォトカプラ（フォトトランジスタ）
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ スイッチ
Ｔ トランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は力率改善電流共振コンバータに関し、特に力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correct）コンバータ回路と電流共振コンバータ回路とを縦続接続して構成される力率改善電流共振コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電源装置として、直流入力電圧を昇圧または降圧して一定の直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータがある。ＤＣ−ＤＣコンバータとして、共振コンバータ回路が知られている。この共振コンバータ回路は、直流入力電圧が変化しない場合に良好な出力の負荷特性が得られる特性を有している。このため、共振コンバータ回路の入力電源として商用交流電源を使用する場合、前段に力率改善コンバータ回路を設けて入力される電圧をあらかじめ安定化させておく構成がよく用いられている（たとえば、特許文献１，２参照）。このような２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータの具体的な構成例を以下に示す。
【０００３】
図１３は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
このＤＣ−ＤＣコンバータは、直流の電圧Ｖｓを入力して直流の電圧Ｖｏを出力する電流共振コンバータ回路１００と、商用交流電源１２０をダイオードブリッジＤＢで整流した電圧Ｖｄから直流の電圧Ｖｓを出力する力率改善コンバータ回路１１０とを備えている。
【０００４】
電流共振コンバータ回路１００では、二つのスイッチＱ１，Ｑ２の直列回路が直流の電圧Ｖｓに対して並列に接続されており、スイッチＱ１，Ｑ２のゲートには、制御回路ＣＯＮＴ１が接続されている。電流共振コンバータ回路１００は、また、直列に接続された共振コンデンサＣｒおよび共振インダクタＬｒを備え、共振インダクタＬｒは、トランスＴの一次側の巻線Ｐ１に接続されている。このトランスＴの巻線Ｐ１の等価回路は、励磁インダクタンスＬｍが並列に接続されているものとなっている。トランスＴの二次側の巻線Ｓ１，Ｓ２は、ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏからなって電圧Ｖｏを出力する整流・平滑回路が接続されている。平滑コンデンサＣｏには、これと並列にフィードバック回路１０２が接続されている。このフィードバック回路１０２は、出力の電圧Ｖｏの変動に応じて発光するフォトカプラＰＣｅ（発光ダイオード）と、その発光された光を受けるフォトカプラＰＣｒ（フォトトランジスタ）とを備え、受光側のフォトカプラＰＣｒのフォトトランジスタは、制御回路ＣＯＮＴ１に接続されている。制御回路ＣＯＮＴ１は、出力の電圧Ｖｏを基にして、二つのスイッチＱ１，Ｑ２のオン時間またはスイッチング周波数を制御して出力の電圧Ｖｏを安定化している。
【０００５】
力率改善コンバータ回路１１０は、チョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、スイッチＱ３、平滑コンデンサＣｓ、電流検出用の抵抗Ｒｓおよび制御回路ＣＯＮＴ２を備えている。制御回路ＣＯＮＴ２は、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓを検出するとともにチョークコイルＬｐに流れる電流を検出抵抗Ｒｓにより検出し、これらの値を基にスイッチＱ３を制御し、入力電流を正弦波状にして力率を向上させている。
【０００６】
従来のＤＣ−ＤＣコンバータは、電流共振コンバータ回路１００および力率改善コンバータ回路１１０に制御回路ＣＯＮＴ１，ＣＯＮＴ２を備え、制御回路ＣＯＮＴ１，ＣＯＮＴ２がそれぞれ独立して動作している。このため、電流共振コンバータ回路１００および力率改善コンバータ回路１１０では、それぞれの制御方式も異なっており、さらにスイッチング周波数も異なっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−９７３０３号公報
【特許文献２】特開２００６−２０４０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来の２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、二つのコンバータ回路がそれぞれ異なる動作をするため、お互いのスイッチング動作の干渉が生じ、このため不安定動作が発生するという問題点があった。
【０００９】
また、２段構成のＤＣ−ＤＣコンバータでは、異なるスイッチング周波数での動作であるため、スイッチングノイズ低減のためのノイズフィルタが複雑になり、さらに制御回路も二つ必要であるため、部品点数が多くコスト増になるという問題点があった。
【００１０】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、縦続接続された二つのコンバータ回路でのスイッチング動作の干渉をなくし、コストを抑制することのできる力率改善電流共振コンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明では上記の課題を解決するために、電流共振コンバータ回路の前段に力率改善コンバータ回路を縦続接続して構成した力率改善電流共振コンバータにおいて、力率改善コンバータ回路は、独立して動作する専用の制御回路を持たず、電流共振コンバータ回路のスイッチング動作によって発生される電圧を利用することで電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期したスイッチング動作を行うようにした。
【発明の効果】
【００１２】
上記構成の力率改善電流共振コンバータは、力率改善コンバータ回路を、電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期してスイッチング動作させるようにしたことで、力率改善電流共振コンバータの動作周波数が一つに統一されるという利点がある。これによって、力率改善電流共振コンバータの動作が安定し、ノイズの発生も抑制され、力率改善電流共振コンバータの性能を向上させることができる。
【００１３】
また、上記構成の力率改善電流共振コンバータは、力率改善コンバータ回路が独立して動作する専用の制御回路を持たないことで、力率改善電流共振コンバータのコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図２】整流回路の出力電圧波形例を示す図である。
【図３】力率改善電流共振コンバータの各部の電流波形例を示す図である。
【図４】チョークコイル電流および入力電流を示す波形例の図である。
【図５】第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図６】第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図７】第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図８】第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図９】第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１０】第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１１】第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１２】第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。
【図１３】従来のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面において、図１３で示した回路素子に対応した機能を有する回路素子には同じ符号を付してある。
【００１６】
図１は第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図、図２は整流回路の出力電圧波形例を示す図、図３は力率改善電流共振コンバータの各部の電流波形例を示す図、図４はチョークコイル電流および入力電流を示す波形例の図である。
【００１７】
第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、電流共振コンバータ回路と力率改善コンバータ回路とを備え、これら電流共振コンバータ回路および力率改善コンバータ回路を一つの制御回路ＣＯＮＴで制御する構成を有している。力率改善コンバータ回路は、商用交流電源１０をダイオードブリッジＤＢで整流した脈流の電圧Ｖｄを入力して電圧変換された直流の電圧Ｖｓを出力し、電流共振コンバータ回路は、電圧Ｖｓを入力して直流の電圧Ｖｏを出力する。
【００１８】
電流共振コンバータ回路では、電圧Ｖｓに対して直列接続の二つのスイッチＱ１，Ｑ２が並列に接続されている。スイッチＱ１，Ｑ２は、この実施の形態では、ＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）を使用している。すなわち、電圧Ｖｓの正極側の端子は、スイッチＱ２のドレイン端子に接続され、スイッチＱ２のソース端子は、スイッチＱ１のドレイン端子に接続され、スイッチＱ１のソース端子は、電圧Ｖｓの負極側の端子に接続されている。
【００１９】
電圧Ｖｓの正極側の端子は、また、共振コンデンサＣｒの一端に接続され、共振コンデンサＣｒの他端は、共振インダクタＬｒの一端に接続されている。共振インダクタＬｒの他端は、トランスＴの一次側の巻線Ｐ１の一端に接続され、巻線Ｐ１の他端は、スイッチＱ１，Ｑ２の共通の接続点に接続されている。トランスＴの巻線Ｐ１の等価回路は、巻線Ｐ１の両端に励磁インダクタンスＬｍが並列に接続されているものとなっている。トランスＴは、また、一次側に第２の巻線Ｐ２を有し、その一端は、抵抗Ｒ１を介して制御回路ＣＯＮＴの制御入力端子に接続され、他端は、制御回路ＣＯＮＴのグランド端子に接続されている。
【００２０】
トランスＴは、二次側に二つの巻線Ｓ１，Ｓ２を有し、互いに直列に接続されている。巻線Ｓ１，Ｓ２の両端子には、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノード端子が接続され、これらのカソード端子は、互いに接続されて平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続されている。平滑コンデンサＣｏの負極端子は、巻線Ｓ１，Ｓ２の接続点に接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２および平滑コンデンサＣｏは、整流・平滑回路を構成し、直流の電圧Ｖｏを出力する。なお、トランスＴのそれぞれの巻線Ｐ１，Ｐ２，Ｓ１，Ｓ２に記したドットは、極性を表している。
【００２１】
平滑コンデンサＣｏには、フィードバック回路１２が接続されている。このフィードバック回路１２は、平滑コンデンサＣｏの正極端子と負極端子との間に接続されて出力の電圧Ｖｏの変動を検出する直列接続の抵抗Ｒ１１，Ｒ１２を有している。また、この抵抗Ｒ１１，Ｒ１２の直列回路と並列に、電流制限用の抵抗Ｒ１３と、発光側のフォトカプラＰＣｅ（発光ダイオード）と、シャントレギュレータＳＲとの直列回路が接続されている。シャントレギュレータＳＲのリファレンス端子は、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２との共通の接続部が接続されている。一方、発光側のフォトカプラＰＣｅと対をなす受光側のフォトカプラＰＣｒ（フォトトランジスタ）は、制御回路ＣＯＮＴのフィードバック端子とスイッチＱ１のソース端子（グランド端子）との間に接続されている。シャントレギュレータＳＲは、抵抗Ｒ１１，Ｒ１２によって検出された、図示しないシャントレギュレータＳＲの基準電圧に対する電圧Ｖｏの変動に応じた電流を発光側のフォトカプラＰＣｅに流し、受光側のフォトカプラＰＣｒがその変動に対応する誤差信号を制御回路ＣＯＮＴのフィードバック端子に入力する。
【００２２】
力率改善コンバータ回路では、ダイオードブリッジＤＢが出力する電圧Ｖｄの正極端子は、チョークコイルＬｐの一端に接続され、チョークコイルＬｐの他端は、ダイオードＤｐ１のアノード端子とスイッチＱ３とに接続されている。この実施の形態では、スイッチＱ３は、ＮチャネルのパワーＭＯＳＦＥＴを使用しているので、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、スイッチＱ３のドレイン端子に接続されている。ダイオードＤｐ１のカソード端子は、平滑コンデンサＣｓの正極端子に接続され、平滑コンデンサＣｓの負極端子は、ダイオードブリッジＤＢの負極端子、スイッチＱ３のソース端子、および電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のソース端子、すなわちグランド端子に接続されている。
【００２３】
制御回路ＣＯＮＴは、その第１の制御出力がスイッチＱ１のゲート端子に接続され、第２の制御出力がスイッチＱ２のゲート端子に抵抗Ｒ２を介して接続されている。スイッチＱ３のゲート端子は、トランスＴの一次側に設けた第２の巻線Ｐ２の一端に抵抗Ｒ３を介して接続されている。
【００２４】
以上の構成の力率改善電流共振コンバータにおいて、まず、電流共振コンバータ回路では、制御回路ＣＯＮＴがフィードバック回路１２を介して出力の電圧Ｖｏを検出している（より厳密に言えば、出力電圧Ｖｏの基準電圧に対する誤差電圧を検出している。）。制御回路ＣＯＮＴは、この電圧Ｖｏに基づいて二つのスイッチＱ１，Ｑ２のオン時間またはスイッチング周波数を制御して出力の電圧Ｖｏを安定化している。制御回路ＣＯＮＴは、また、トランスＴの一次側に設けた第２の巻線Ｐ２に発生する電圧を入力し、第２のスイッチＱ２のオン・オフ状態を検出している。したがって、この電流共振コンバータ回路では、スイッチＱ２がオンしているとき、スイッチＱ１はオンにされないので、二つのスイッチＱ１，Ｑ２が同時にオンすることはない。
【００２５】
力率改善コンバータ回路では、ダイオードブリッジＤＢと平滑コンデンサＣｓとの間に力率改善用のチョークコイルＬｐおよびダイオードＤｐ１が挿入されており、スイッチＱ３は、トランスＴの一次側の第２の巻線Ｐ２に発生する電圧によって駆動される。チョークコイルＬｐ、ダイオードＤｐ１、平滑コンデンサＣｓ、およびスイッチＱ３を含む回路は、図１３の昇圧コンバータと同様である。ただし、スイッチＱ３のオン・オフ制御は、この力率改善コンバータ回路に最適化されたものではなく、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期されたものなので、平滑コンデンサＣｓに出力される電圧Ｖｓは、十分に安定化される訳ではない。
【００２６】
力率改善コンバータ回路に入力される電圧Ｖｄは、図２に示したように、商用交流電源１０をダイオードブリッジＤＢで整流した波形を示している。商用交流電源１０の周波数は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ、周期は、２０ｍｓまたは１６．７ｍｓであり、電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数（たとえば、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）と比べるとかなり低い。
【００２７】
電流共振コンバータ回路では、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓを入力とするハーフブリッジ型スイッチング回路になっており、上下二つのスイッチＱ１，Ｑ２が交互にオン・オフ制御される。
【００２８】
まず、下側のスイッチＱ１がオンすると、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒ、トランスＴの一次側の第１の巻線Ｐ１およびスイッチＱ１を経由して電流ＩCrが流れる。このとき、共振コンデンサＣｒおよび共振インダクタＬｒによるＬＣ回路で共振するので、図３に示したように、流れる電流ＩCr1は、第１の巻線Ｐ１を介して２次側に流れる正弦波状の電流（ここで、Ｐ１は理想トランスの構成要素としている。）とトランスＴの励磁インダクタンスＬｍに流れる励磁電流との和となる。一次側の第１の巻線Ｐ１に正弦波の入力が印加されることにより、トランスＴの二次側の巻線Ｓ１には電圧が誘起され、その電圧は、ダイオードＤ１で整流され、平滑コンデンサＣｏで平滑化されて、電圧Ｖｏが得られる。このとき、ダイオードＤ１を流れる電流は、図３に示した電流ＩD1である。また、トランスＴの励磁インダクタンスＬｍには、巻線Ｐ１の電圧が印加されて励磁電流が流れるので、スイッチＱ１には共振電流に励磁電流を加えた電流ＩQ1が流れる。
【００２９】
次に、スイッチＱ１がオフになり、上側のスイッチＱ２がオンすると、巻線Ｐ１、共振インダクタＬｒおよび共振コンデンサＣｒのルートで電流ＩCr2（の励磁電流を除く正弦波成分）が流れる。これにより、トランスＴの二次側の巻線Ｓ２に発生した電圧は、ダイオードＤ２で整流され、平滑コンデンサＣｏで平滑化されて、電圧Ｖｏが得られる。このとき、ダイオードＤ２を流れる電流は、図３に示した電流ＩD2である。この電圧Ｖｏの安定化は、スイッチＱ１，Ｑ２のスイッチング周波数を変化させて行う。
【００３０】
トランスＴの一次側に設けられた第２の巻線Ｐ２は、下側のスイッチＱ１がオンのときに、この巻線Ｐ２に正極の電圧ＶＰ２が発生するように巻かれている。したがって、スイッチＱ１がオンすると、スイッチＱ３もオンし、スイッチＱ１がオフのときは、スイッチＱ３もオフとなる。
【００３１】
スイッチＱ３がオンすると、ダイオードブリッジＤＢと平滑コンデンサＣｓとの間に接続されたチョークコイルＬｐには、ダイオードブリッジＤＢによって整流された電圧Ｖｄが印加され、スイッチＱ３には、図３に示したように、電流ＩP1が流れる。これにより、チョークコイルＬｐにはエネルギが蓄えられる。スイッチＱ１がオフすると、スイッチＱ３もオフとなり、今までチョークコイルＬｐに蓄えられたエネルギは、ダイオードＤｐ１を介して平滑コンデンサＣｓへ移行する。このとき、ダイオードＤｐ１には、図３に示したように、電流ＩP2が流れる。なお、スイッチＱ３がオン・オフしたときにチョークコイルＬｐに流れる電流は、図１，３，４に電流ＩLPで示している。
【００３２】
スイッチＱ３のオン時間は、スイッチＱ１のオン時間に等しい。このスイッチＱ３のオン時間をＴ１とし、スイッチＱ３のオフ時間をＴ２とすると、平滑コンデンサＣｓの電圧Ｖｓは、式（１）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ／（１−Ｄ）・・・（１）
Ｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）＝０．５・・・（２）
Ｖｓ＝２Ｖｄｐ・・・（３）
ただし、Ｄは、時比率であり、スイッチＱ１およびスイッチＱ２のオン時間が等しい場合は、式（２）のように、Ｄ＝０．５となる。平滑コンデンサＣｓの容量値が大きい場合には、商用交流の周期に対する電圧Ｖｓの電圧変動は、非常に小さいので、この場合の電圧Ｖｓは、式（３）に示されるように、整流された電圧Ｖｄの最大電圧Ｖｄｐの２倍にほぼ等しい値になる。
【００３３】
スイッチＱ３は、電流共振コンバータ回路の下側のスイッチＱ１のオン時間に等しい時間で駆動されるので、図４に示したように、チョークコイルＬｐには、電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数に等しい周波数の電流ＩLPが流れる。このとき、チョークコイルＬｐに流れる電流ＩLPの平均値またはピーク波形はほぼ正弦波となり、力率が向上する。すなわち、負荷の変動がなければ電流共振コンバータ回路のスイッチング周波数および上記オン時間Ｔ１は一定であり、チョークコイルＬｐに流れる電流のピーク電流はスイッチ素子Ｑ３がオンしたときのチョークコイルＬｐの両端電圧、すなわちダイオードブリッジＤＢの出力電圧に比例することになる。商用交流電源１０から入力される入力電流ＩINは、図示しないフィルタ回路によりチョークコイルＬｐに流れる電流ＩLPを平均化した波形となるので、図４に示すようにほぼ正弦波となる。
【００３４】
以上の構成の力率改善電流共振コンバータによれば、力率改善コンバータ回路を独立して動作するのではなく、電流共振コンバータ回路の制御回路ＣＯＮＴによって制御される力率改善回路として機能させるようにした。この力率改善回路のスイッチを電流共振コンバータ回路のスイッチングに同期してオン・オフさせるので、力率改善コンバータ回路の制御回路が不要となり、コンバータのコストを低減することができる。さらに、コンバータの動作周波数が一つに統一されるため、コンバータの動作が安定し、ノイズの発生も抑制され、コンバータの性能が向上することになる。
【００３５】
図５は第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図５において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００３６】
第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータが有する第３のスイッチＱ３を電流共振コンバータ回路の下側のスイッチＱ１で兼用している。
【００３７】
すなわち、この力率改善電流共振コンバータでは、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、ダイオードＤｐ２を介して電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のドレイン端子に接続されている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと変わりがない。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期してオン・オフさせられることになる。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００３８】
なお、ダイオードＤｐ２は、逆流電流防止のためのものである。また、スイッチＱ１は、力率改善コンバータ回路を動作させるスイッチを兼用していることによって、電流ＩP1と電流ＩCr1との和の電流が流れることになるので、上側のスイッチＱ２に比べて流れる電流は大きくなる。
【００３９】
図６は第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図６において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４０】
第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ２を、制御回路ＣＯＮＴによって駆動するのではなく、トランスＴの一次側に設けた第３の巻線Ｐ３に発生する電圧ＶＰ３によって駆動するようにしている。巻線Ｐ３は、下側のスイッチＱ１がオフのときに、正極の電圧ＶＰ３が発生するように巻かれている。このため、この力率改善電流共振コンバータでは、制御回路ＣＯＮＴがスイッチＱ２の駆動を行わない。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと同じである。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００４１】
図７は第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図７において、図５および図６に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４２】
第４の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第２の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと第３の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータとを組み合わせた構成にしている。
【００４３】
すなわち、トランスＴの一次側に第３の巻線Ｐ３が設けられ、その巻線に発生する電圧ＶＰ３によって上側のスイッチＱ２を駆動するようにしている。また、チョークコイルＬｐとダイオードＤｐ１との接続点は、ダイオードＤｐ２を介して電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のドレイン端子に接続されている。スイッチＱ１が力率改善コンバータ回路および電流共振コンバータ回路のスイッチング動作を同時に行うようにしている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと同じである。したがって、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００４４】
図８は第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図８において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４５】
第５の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータの力率改善コンバータ回路のチョークコイルＬｐの構成を変更している。すなわち、チョークコイルＬｐは、その巻線にタップを設けている。つまり、チョークコイルＬｐの巻線は、一つではなく、二つの巻線Ｎ１，Ｎ２で構成して、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧の昇圧比を調整している。図示の力率改善電流共振コンバータでは、巻線Ｎ１と巻線Ｎ２との接続点がスイッチＱ３に接続されている。この場合、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧Ｖｓは、式（４）と式（５）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ・｛１−（１−ｍ）Ｄ｝／（１−Ｄ）・・・（４）
ｍ＝（Ｎ１＋Ｎ２）／Ｎ１・・・（５）
ここで、一例として、Ｎ１＝Ｎ２とし、時比率Ｄ＝０．５の場合、式（５）のｍは２となり、式（４）の電圧Ｖｓは、３Ｖｄとなり、昇圧比は、第１の実施の形態における式（３）の場合よりも増加する。
【００４６】
図９は第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図９において、図８に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００４７】
この第６の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータによれば、二つの巻線Ｎ１，Ｎ２を有するチョークコイルＬｐの接続方法を第５の実施の形態によるものから変更している。
【００４８】
すなわち、チョークコイルＬｐの巻線Ｎ１と巻線Ｎ２の接続点は、ダイオードＤｐ１のアノードに接続され、巻線Ｎ２の自由端側は第３のスイッチＱ３に接続されている。この場合、平滑コンデンサＣｓに発生する電圧Ｖｓは、式（６）と式（７）のようになる。
Ｖｓ＝Ｖｄ・｛１−（１−ｎ）Ｄ｝／（１−Ｄ）・・・（６）
ｎ＝Ｎ１／（Ｎ１＋Ｎ２）・・・（７）
ここで、一例として、Ｎ１＝Ｎ２とし、時比率Ｄ＝０．５の場合、式（７）のｎは、０．５となり、式（６）の電圧Ｖｓは、１．５Ｖｄとなり、昇圧比は、第１の実施の形態における式（３）の場合よりも減少する。
【００４９】
図１０は第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１０において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５０】
この第７の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１〜第６の実施の形態における力率改善コンバータ回路をＳＥＰＩＣ（Single Ended Primary Inductance Converter）コンバータへ置換えた回路にしている。第１〜第６の実施の形態における力率改善コンバータ回路が昇圧型のブーストコンバータであるのに対し、ＳＥＰＩＣコンバータは、ブーストコンバータの中間にコンデンサおよびインダクタを入れ、出力電圧範囲を変更することで降圧も可能にしたものである。
【００５１】
このＳＥＰＩＣコンバータでは、二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２を用いている。チョークコイルＬｐ１は、その一端にダイオードブリッジＤＢによって整流された電圧Ｖｄを受け、他端は、エネルギ転送コンデンサＣｐの一端に接続されている。このチョークコイルＬｐ１とエネルギ転送コンデンサＣｐとの接続点は、スイッチＱ３に接続されている。エネルギ転送コンデンサＣｐの他端は、ダイオードＤｐ１のアノード端子に接続されている。ダイオードＤｐ１のカソード端子は、平滑コンデンサＣｓの正極端子に接続されている。エネルギ転送コンデンサＣｐとダイオードＤｐ１との接続点は、チョークコイルＬｐ２の一端に接続され、チョークコイルＬｐ２の他端は、平滑コンデンサＣｓの負極端子に接続されている。二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２は、互いに独立していて、磁気的に結合していない。ダイオードＤｐ３は、ＳＥＰＩＣコンバータの起動時に平滑コンデンサＣｓに電流を供給して電圧Ｖｓを立ち上げるためのものであり、チョークコイルＬｐ１,ダイオードＤｐ１およびエネルギ転送コンデンサＣｐの直列回路に並列に接続され、ダイオードＤｐ３のカソード端子は平滑コンデンサＣｓの正極に接続される。
【００５２】
ＳＥＰＩＣコンバータの出入力電圧比は、スイッチＱ３のオン時間とオフ時間の比に比例するので、力率改善コンバータ回路の出力電圧をブーストコンバータよりも低く設定することが可能である。
【００５３】
図１１は第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１１において、図１０に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５４】
この第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、第７の実施の形態に二つのチョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２を一つのコアに巻いて互いに磁気的に結合し、一つの素子に一体に構成している。なお、図中、チョークコイルＬｐ１，Ｌｐ２に記したドットは、極性を表している。
【００５５】
図１２は第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータを示す回路図である。なお、この図１２において、図１に示した構成要素と同じまたは均等の構成要素については同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。
【００５６】
この第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータは、第１ないし第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと比較して、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路の接続位置を変更している。
【００５７】
すなわち、第１ないし第８の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路は、上側のスイッチＱ２に並列に接続している。これに対し、この第９の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータでは、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の直列回路は、下側のスイッチＱ１に並列に接続している。また、トランスＴの一次側に設けられた第２の巻線Ｐ２は、逆極性の電圧ＶＰ２を制御回路ＣＯＮＴおよび第３のスイッチＱ３に供給するようにしている。これ以外の構成は、第１の実施の形態のものと変わりがない。これにより、力率改善コンバータ回路は、電流共振コンバータ回路のスイッチＱ１のオン・オフに同期してオン・オフさせられるので、この力率改善電流共振コンバータは、第１の実施の形態に係る力率改善電流共振コンバータと同じ動作をすることになる。
【００５８】
なお、今までは共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１はこの順序で直列に接続して直列回路を形成した場合について説明してきたが、これに限定されるものではない。すなわち、共振コンデンサＣｒ、共振インダクタＬｒおよびトランスＴの一次側の巻線Ｐ１の接続順は任意であってよいし、この直列回路の共振インダクタＬｒとトランスＴの一次側の巻線Ｐ１との直列回路部分を巻線Ｐ１のみで構成してもよい。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 商用交流電源
１２ フィードバック回路
ＣＯＮＴ 制御回路
Ｃｏ 平滑コンデンサ
Ｃｐ エネルギ転送コンデンサ
Ｃｒ 共振コンデンサ
Ｃｓ 平滑コンデンサ
ＤＢ ダイオードブリッジ
Ｄ１，Ｄ２，Ｄｐ１，Ｄｐ２ ダイオード
Ｌｍ 励磁インダクタンス
Ｌｐ，Ｌｐ１，Ｌｐ２ チョークコイル
Ｌｒ 共振インダクタ
ＰＣｅ フォトカプラ（発光ダイオード）
ＰＣｒ フォトカプラ（フォトトランジスタ）
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ スイッチ
Ｔ トランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流共振コンバータ回路の前段に力率改善コンバータ回路を縦続接続して構成した力率改善電流共振コンバータにおいて、
前記力率改善コンバータ回路を、前記電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期してスイッチング動作させるようにしたことを特徴とする力率改善電流共振コンバータ。
【請求項２】
前記電流共振コンバータ回路は、
互いに直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
共振コンデンサと、
共振インダクタと、
一次側に設けられた第１の巻線および前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのオン・オフにより電圧が発生される第２の巻線、並びに整流平滑回路が接続された二次側巻線を有するトランスと、
前記第２の巻線に発生する電圧に基づいて前記第１のスイッチをオン・オフさせる制御回路と、
を備え、
前記共振コンデンサ、前記共振インダクタおよび前記第１の巻線からなる直列回路が前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチに並列に接続され、
前記力率改善コンバータ回路は、一端に商用交流入力電源を整流した電圧が入力されるチョークコイルと、前記チョークコイルの他端に接続されたダイオードと、前記ダイオードを介して流れる電流を平滑化する平滑コンデンサと、前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点を前記平滑コンデンサの定電位側に接続する第３のスイッチとを備え、
前記第３のスイッチは、前記トランスの第２の巻線に発生する電圧によってオン・オフされることを特徴とする請求項１記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項３】
前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点を逆流防止ダイオードを介して前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの接続点に接続することで前記第３のスイッチの機能を持たせたことを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項４】
前記チョークコイルは、その巻線にタップを有し、前記ダイオードおよび前記第３のスイッチを前記タップまたは前記商用交流入力電源を整流した電圧が入力される側とは反対側の端部のいずれかに接続することによって前記力率改善コンバータ回路の昇圧比を変更できることを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項５】
前記力率改善コンバータ回路は、前記チョークコイルと前記ダイオードとの間に、エネルギ転送コンデンサおよび別のチョークコイルを接続してＳＥＰＩＣコンバータとしたことを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項６】
前記第２のスイッチは、前記制御回路によって前記第１のスイッチとは交互にオン・オフするように駆動する請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項７】
前記トランスは、その一次側に第３の巻線を有し、前記第２のスイッチは、前記第３の巻線に発生する電圧によってオン・オフされることを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項１】
電流共振コンバータ回路の前段に力率改善コンバータ回路を縦続接続して構成した力率改善電流共振コンバータにおいて、
前記力率改善コンバータ回路を、前記電流共振コンバータ回路のスイッチング動作に同期してスイッチング動作させるようにしたことを特徴とする力率改善電流共振コンバータ。
【請求項２】
前記電流共振コンバータ回路は、
互いに直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチと、
共振コンデンサと、
共振インダクタと、
一次側に設けられた第１の巻線および前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチのオン・オフにより電圧が発生される第２の巻線、並びに整流平滑回路が接続された二次側巻線を有するトランスと、
前記第２の巻線に発生する電圧に基づいて前記第１のスイッチをオン・オフさせる制御回路と、
を備え、
前記共振コンデンサ、前記共振インダクタおよび前記第１の巻線からなる直列回路が前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチに並列に接続され、
前記力率改善コンバータ回路は、一端に商用交流入力電源を整流した電圧が入力されるチョークコイルと、前記チョークコイルの他端に接続されたダイオードと、前記ダイオードを介して流れる電流を平滑化する平滑コンデンサと、前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点を前記平滑コンデンサの定電位側に接続する第３のスイッチとを備え、
前記第３のスイッチは、前記トランスの第２の巻線に発生する電圧によってオン・オフされることを特徴とする請求項１記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項３】
前記チョークコイルと前記ダイオードとの接続点を逆流防止ダイオードを介して前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの接続点に接続することで前記第３のスイッチの機能を持たせたことを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項４】
前記チョークコイルは、その巻線にタップを有し、前記ダイオードおよび前記第３のスイッチを前記タップまたは前記商用交流入力電源を整流した電圧が入力される側とは反対側の端部のいずれかに接続することによって前記力率改善コンバータ回路の昇圧比を変更できることを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項５】
前記力率改善コンバータ回路は、前記チョークコイルと前記ダイオードとの間に、エネルギ転送コンデンサおよび別のチョークコイルを接続してＳＥＰＩＣコンバータとしたことを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項６】
前記第２のスイッチは、前記制御回路によって前記第１のスイッチとは交互にオン・オフするように駆動する請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【請求項７】
前記トランスは、その一次側に第３の巻線を有し、前記第２のスイッチは、前記第３の巻線に発生する電圧によってオン・オフされることを特徴とする請求項２記載の力率改善電流共振コンバータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−６５４１４（Ｐ２０１２−６５４１４Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０６３９６（Ｐ２０１０−２０６３９６）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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