特許第6695255号(P6695255)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6695255
(24)【登録日】2020年4月23日
(45)【発行日】2020年5月20日
(54)【発明の名称】電源装置、および、電源装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/12 20060101AFI20200511BHJP
   H02M 7/48 20070101ALI20200511BHJP
【FI】
   H02M7/12 P
   H02M7/12 601A
   H02M7/48 P
【請求項の数】13
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2016-200390(P2016-200390)
(22)【出願日】2016年10月11日
(65)【公開番号】特開2018-64338(P2018-64338A)
(43)【公開日】2018年4月19日
【審査請求日】2019年4月5日
(73)【特許権者】
【識別番号】000002037
【氏名又は名称】新電元工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100137523
【弁理士】
【氏名又は名称】出口 智也
(74)【代理人】
【識別番号】100091982
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 浩之
(74)【代理人】
【識別番号】100091487
【弁理士】
【氏名又は名称】中村 行孝
(74)【代理人】
【識別番号】100082991
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 泰和
(74)【代理人】
【識別番号】100105153
【弁理士】
【氏名又は名称】朝倉 悟
(72)【発明者】
【氏名】岩尾 健一
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 英輝
(72)【発明者】
【氏名】村田 雅昭
【審査官】 木村 励
(56)【参考文献】
【文献】 特開2014−99946(JP,A)
【文献】 実開平3−86419(JP,U)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/12
H02M 7/48
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、
交流電圧を第1の電源端子と第2の電源端子との間に出力する交流電源と、
前記負荷の高電位側の端子が接続される第1の負荷端子、及び、前記負荷の低電位側の端子が接続される第2の負荷端子と、
前記第1の負荷端子と前記第2の負荷端子との間に接続された出力コンデンサと、
一端が前記第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、
一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が前記第1ノードに接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、
一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が前記第2の電源端子に接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、
一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、
一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、前記検出用コンデンサの他端から前記第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子と、
一端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、前記第2のスイッチ素子の他端から前記検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子と、
前記検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、前記第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路と、
前記検出信号に基づいて、前記第1及び第2のスイッチ素子を制御し、前記第1の電源端子の前記電源電圧の極性に基づいて、前記第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする電源装置。
【請求項2】
前記第1の検出用整流素子は、
アノードが前記検出用コンデンサの他端に接続され、カソードが前記第2のスイッチ素子の他端に接続された第1の検出用ダイオードであり、
前記第2の検出用整流素子は、
カソードが前記検出用コンデンサの他端に接続され、アノードが前記第2のスイッチ素子の他端に接続された第2の検出用ダイオードである
ことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
【請求項3】
前記検出回路は、
前記検出用コンデンサに電流が流れる電流検出期間に基づいた前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差の変化を検出できるようになっている
ことを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
【請求項4】
前記制御部は、
前記第1の電源端子の電圧の極性が第1の極性である場合には、前記第3のスイッチ素子をオフし且つ前記第4のスイッチ素子をオンし、
一方、前記第1の電源端子の電圧の極性が第2の極性である場合には、前記第3のスイッチ素子をオンし且つ前記第4のスイッチ素子をオフすることを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
【請求項5】
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子がオンし且つ前記第2のスイッチ素子がオフした状態と、前記第1のスイッチ素子がオフし且つ前記第2のスイッチ素子がオンした状態と、相補的に切り替えるように制御する
ことを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
【請求項6】
前記電源電圧が正相である場合に、前記検出回路は、前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差が、予め設定された閾値電圧以上になった場合には、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を出力し、
前記制御部は、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号に基づいて、前記第2のスイッチ素子をオンし、前記第2のスイッチ素子をオンしてから予め設定した制御期間の経過後に、前記第2のスイッチ素子をオフする
ことを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
【請求項7】
前記制御部は、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を受けてから、前記電流検出期間の経過後、前記第2のスイッチ素子をオンする
ことを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
【請求項8】
前記電源電圧が逆相である場合に、前記検出回路は、前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差が、前記閾値電圧以上になった場合には、前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を出力し、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号に基づいて、前記第1のスイッチ素子をオンし、前記第1のスイッチ素子をオンしてから予め設定した前記制御期間の経過後に、前記第1のスイッチ素子をオフする
ことを特徴とする請求項7に記載の電源装置。
【請求項9】
前記制御部は、
前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を受けてから、前記電流検出期間tdの経過後、前記第1のスイッチ素子をオンする
ことを特徴とする請求項8に記載の電源装置。
【請求項10】
前記第1ないし第4のスイッチ素子は、それぞれMOSトランジスタであり、
前記制御部は、PWM制御信号により、前記MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧を制御して、前記MOSトランジスタのオン/オフを制御する
ことを特徴とする請求項8に記載の電源装置。
【請求項11】
前記検出回路は、
前記検出信号を出力する、第1の検出信号端子及び第2の検出信号端子と、
一端が電源に接続され、他端が前記第1の検出信号端子に接続された第1の検出用抵抗と、
コレクタが前記第1の検出信号端子に接続され、エミッタが前記第2の負荷端子に接続された第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタと、
一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続された第2の検出用抵抗と、
一端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第1の平滑用コンデンサと、
一端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第3の検出用抵抗と、
一端が前記電源に接続され、他端が前記第2の検出信号端子に接続された第4の検出用抵抗と、
一端が前記第2の検出信号端子に接続された第5の検出用抵抗と、
コレクタが前記第5の検出用抵抗の他端に接続され、エミッタが前記検出用コンデンサの他端に接続された第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタと、
一端が前記第2の負荷端子に接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続された第6の検出用抵抗と、
一端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第2の平滑用コンデンサと、
一端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第7の検出用抵抗と、を備える
ことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
【請求項12】
前記負荷は、前記第1の負荷端子と第2の負荷端子との間の電圧をDC−DC変換して出力するDC−DCコンバータである
ことを特徴とする請求項2に記載の電源装置。
【請求項13】
力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、交流電圧を第1の電源端子と第2の電源端子との間に出力する交流電源と、前記第1の電源端子と第2の電源端子との間に供給された前記交流電圧に応じた電圧が供給される、第1の電源端子、及び、第2の電源端子と、前記負荷の高電位側の端子が接続される第1の負荷端子、及び、前記負荷の低電位側の端子が接続される第2の負荷端子と、前記第1の負荷端子と前記第2の負荷端子との間に接続された出力コンデンサと、一端が前記第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が前記第1ノードに接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が前記第2の電源端子に接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、前記検出用コンデンサの他端から前記第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子と、一端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、前記第2のスイッチ素子の他端から前記検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子と、前記検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、前記第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路と、制御部と、を備える電源装置の制御方法であって、
前記制御部により、前記検出信号に基づいて、前記第1及び第2のスイッチ素子を制御し、前記第1の電源端子の電源電圧の極性に基づいて、前記第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する
ことを特徴とする電源装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電源装置、および、電源装置の制御方法に関する発明である。
【背景技術】
【0002】
例えば、従来の電源装置には、力率改善(Power Factor Correction)回路を含むものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
この従来の電源装置では、チョークコイルに流れる電流がゼロになったことを検出し、主スイッチ素子SWをスイッチングさせる臨界モード方式で動作する。このように、チョークコイルの電流がゼロ、すなわち、整流素子の電流がゼロになってから、スイッチングすることで、当該整流素子のリカバリー電流を軽減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2013−070586号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ここで、上記従来の電源装置では、コンデンサ結合により、主スイッチ素子の振動電圧を検出することにより、チョークコイルに流れる電流がゼロになったことを検出している。
【0006】
しかし、この従来の電源装置では、当該振動電圧を検出するための検出回路に抵抗を用いており、この抵抗に大きな電圧が印加される場合があるため当該検出回路が大型化、高価格化する必要があり、その消費電力も大きくなり、一方、振動電圧が小さい場合には検出不能になる問題がある。
【0007】
そして、上記従来の電源装置では、振動電圧の検出が正確にできない場合には、ZVS動作を適切に実行できない問題がある。
【0008】
そこで、本発明では、消費電力を低減して小型化、低価格化しつつ、適切に臨界モードで動作させることが可能な電源装置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】
【0009】
本発明の一態様に係る実施例に従った電源装置は、
力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、
交流電圧を第1の電源端子と第2の電源端子との間に出力する交流電源と、
前記負荷の高電位側の端子が接続される第1の負荷端子、及び、前記負荷の低電位側の端子が接続される第2の負荷端子と、
前記第1の負荷端子と前記第2の負荷端子との間に接続された出力コンデンサと、
一端が前記第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、
一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が前記第1ノードに接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、
一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が前記第2の電源端子に接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、
一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、
一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、前記検出用コンデンサの他端から前記第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子と、
一端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、前記第2のスイッチ素子の他端から前記検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子と、
前記検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、前記第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路と、
前記検出信号に基づいて、前記第1及び第2のスイッチ素子を制御し、前記第1の電源端子の電源電圧の極性に基づいて、前記第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする。
【0010】
前記電源装置において、
前記第1の検出用整流素子は、
アノードが前記検出用コンデンサの他端に接続され、カソードが前記第2のスイッチ素子の他端に接続された第1の検出用ダイオードであり、
前記第2の検出用整流素子は、
カソードが前記検出用コンデンサの他端に接続され、アノードが前記第2のスイッチ素子の他端に接続された第2の検出用ダイオードである
ことを特徴とする。
【0011】
前記電源装置において、
前記検出回路は、
前記検出用コンデンサに電流が流れる電流検出期間に基づいた前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差の変化を検出できるようになっている
ことを特徴とする。
【0012】
前記電源装置において、
前記制御部は、
前記第1の電源端子の電圧の極性が第1の極性である場合には、前記第3のスイッチ素子をオフし且つ前記第4のスイッチ素子をオンし、
一方、前記第1の電源端子の電圧の極性が第2の極性である場合には、前記第3のスイッチ素子をオンし且つ前記第4のスイッチ素子をオフすることを特徴とする。
【0013】
前記電源装置において、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子がオンし且つ前記第2のスイッチ素子がオフした状態と、前記第1のスイッチ素子がオフし且つ前記第2のスイッチ素子がオンした状態と、相補的に切り替えるように制御する
ことを特徴とする。
【0014】
前記電源装置において、
前記電源電圧が正相である場合に、前記検出回路は、前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差が、予め設定された閾値電圧以上になった場合には、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を出力し、
前記制御部は、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号に基づいて、前記第2のスイッチ素子をオンし、前記第2のスイッチ素子をオンしてから予め設定した制御期間の経過後に、前記第2のスイッチ素子をオフする
ことを特徴とする。
【0015】
前記電源装置において、
前記制御部は、前記第2のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を受けてから、前記電流検出期間の経過後、前記第2のスイッチ素子をオンする
ことを特徴とする。
【0016】
前記電源装置において、
前記電源電圧が逆相である場合に、前記検出回路は、前記第1の電圧と前記第2の電圧との電位差が、前記閾値電圧以上になった場合には、前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を出力し、
前記制御部は、前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号に基づいて、前記第1のスイッチ素子をオンし、前記第1のスイッチ素子をオンしてから予め設定した前記制御期間の経過後に、前記第1のスイッチ素子をオフする
ことを特徴とする。
【0017】
前記電源装置において、
前記制御部は、
前記第1のスイッチ素子をオンするための前記検出信号を受けてから、前記電流検出期間tdの経過後、前記第1のスイッチ素子をオンする
ことを特徴とする。
【0018】
前記電源装置において、
前記第1ないし第4のスイッチ素子は、それぞれMOSトランジスタであり、
前記制御部は、PWM制御信号により、前記MOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧を制御して、前記MOSトランジスタのオン/オフを制御する
ことを特徴とする。
【0019】
前記電源装置において、
前記検出回路は、
前記検出信号を出力する、第1の検出信号端子及び第2の検出信号端子と、
一端が電源に接続され、他端が前記第1の検出信号端子に接続された第1の検出用抵抗と、
コレクタが前記第1の検出信号端子に接続され、エミッタが前記第2の負荷端子に接続された第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタと、
一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続された第2の検出用抵抗と、
一端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第1の平滑用コンデンサと、
一端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第3の検出用抵抗と、
一端が前記電源に接続され、他端が前記第2の検出信号端子に接続された第4の検出用抵抗と、
一端が前記第2の検出信号端子に接続された第5の検出用抵抗と、
コレクタが前記第5の検出用抵抗の他端に接続され、エミッタが前記検出用コンデンサの他端に接続された第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタと、
一端が前記第2の負荷端子に接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続された第6の検出用抵抗と、
一端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第2の平滑用コンデンサと、
一端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのベースに接続され、他端が前記第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタのエミッタに接続された第7の検出用抵抗と、を備える
ことを特徴とする。
【0020】
前記電源装置において、
前記負荷は、前記第1の負荷端子と第2の負荷端子との間の電圧をDC−DC変換して出力するDC−DCコンバータである
ことを特徴とする。
【0021】
本発明の一態様に係る実施例に従った電源装置の制御方法は、
力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、交流電圧を第1の電源端子と第2の電源端子との間に出力する交流電源と、前記第1の電源端子と第2の電源端子との間に供給された前記交流電圧に応じた電圧が供給される、第1の電源端子、及び、第2の電源端子と、前記負荷の高電位側の端子が接続される第1の負荷端子、及び、前記負荷の低電位側の端子が接続される第2の負荷端子と、前記第1の負荷端子と前記第2の負荷端子との間に接続された出力コンデンサと、一端が前記第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が前記第1ノードに接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、一端が前記第1の負荷端子に接続され、他端が前記第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が前記第2の電源端子に接続され、他端が前記第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、一端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、他端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、前記検出用コンデンサの他端から前記第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子と、一端が前記第2のスイッチ素子の他端に接続され、他端が前記検出用コンデンサの他端に接続され、前記第2のスイッチ素子の他端から前記検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子と、前記検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、前記第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路と、制御部と、を備える電源装置の制御方法であって、
前記制御部により、前記検出信号に基づいて、前記第1及び第2のスイッチ素子を制御し、前記第1の電源端子の電源電圧の極性に基づいて、前記第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【0022】
本発明の一態様に係る電源装置は、力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、一端が第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、一端が第1の負荷端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が第1ノードに接続され、他端が第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、一端が第1の負荷端子に接続され、他端が第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が第2の電源端子に接続され、他端が第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、一端が検出用コンデンサの他端に接続され、他端が第2のスイッチ素子の他端に接続され、検出用コンデンサの他端から第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子(ダイオード)と、一端が第2のスイッチ素子の他端に接続され、アノードが検出用コンデンサの他端に接続され、第2のスイッチ素子の他端から検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子(ダイオード)と、検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路Xと、検出信号に基づいて、第1及び第2のスイッチ素子を制御し、第1の電源端子の電源電圧の極性に基づいて、第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する制御部と、を備える。
【0023】
このように、本発明の一態様に係る電源装置は、チョークコイルの電流がゼロになるのを検出する検出素子として、整流素子(ダイオード)を用いているため、検出回路に印加される電圧は1.2V(順電圧)程度で低く安定しているため、装置を小型化、低価格化とともに、より正確に検出できる。
【0024】
さらに、整流素子(ダイオード)を用いることで、従来の抵抗を用いる場合と比較して、消費電流を低くすることができる。
【0025】
すなわち、本発明に係る電源装置は、消費電力を低減して小型化、低価格化しつつ、適切に臨界モードで動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
図1図1は、本発明の一態様である第1の実施形態に係る電源装置100の構成の一例を示す図である。
図2図2は、図1に示す電源装置100の動作波形の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。
【第1の実施形態】
【0028】
図1は、本発明の一態様である第1の実施形態に係る電源装置100の構成の一例を示す図である。
【0029】
図1に示すように、第1の実施形態に係る電源装置100は、力率改善回路を含み、負荷LOADに電源を供給するようになっている。
【0030】
この電源装置100は、例えば、図1に示すように、交流電源Gと、第1の電源端子TFa1と、第2の電源端子TFa2と、第1の負荷端子TO1と、第2の負荷端子TO2と、第1の電源端子TFa1と、第2の電源端子TFa2と、出力コンデンサC2と、第1のチョークコイルL1と、ハイサイドの第1のスイッチ素子Q1と、ローサイドの第2のスイッチ素子Q2と、ハイサイドの極性切換用の第3のスイッチ素子Q3と、ローサイドの極性切換用の第4のスイッチ素子Q4と、検出用コンデンサC1と、第1の検出用整流素子D1、D2と、第2の検出用整流素子D3、D4と、検出回路Xと、制御部CONと、を備える。整流素子D1,D2,D3,D4は、例えば、図1に示すように、ダイオードである。
【0031】
そして、図1に示すように、交流電源Gは、交流電圧(入力電圧)Vinを第1の電源端子TFa1と第2の電源端子TFa2との間に出力するようになっている。
【0032】
また、第1の負荷端子TO1は、負荷LOADの高電位側の端子TL1が接続されている。
【0033】
また、第2の負荷端子TO2は、負荷LOADの低電位側の端子TL2が接続されている。
【0034】
なお、負荷LOADは、例えば、第1の負荷端子TO1と第2の負荷端子TO2との間の電圧をDC−DC変換して出力するDC/DCコンバータである。
【0035】
また、図1に示すように、出力コンデンサC2は、第1の負荷端子TO1と第2の負荷端子TO2との間に接続されている。
【0036】
また、図1に示すように、第1のスイッチ素子Q1は、一端が第1の負荷端子TO1に接続され、他端が第1ノードN1に接続されている。なお、この第1のスイッチ素子Q1は、例えば、図1に示すように、PWM制御信号S1がゲートに印加され、オン/オフが制御されるnMOSトランジスタである。
【0037】
また、第2のスイッチ素子Q2は、一端が第1ノードN1に接続され、他端が第2の負荷端子TO2に接続されている。なお、この第2のスイッチ素子Q2は、例えば、図1に示すように、PWM制御信号S2がゲートに印加され、オン/オフが制御されるnMOSトランジスタである。
【0038】
また、第3のスイッチ素子Q3は、一端が第1の負荷端子TO1に接続され、他端が第2の電源端子TFa2に接続されている。なお、この第3のスイッチ素子Q3は、例えば、図1に示すように、PWM制御信号S3がゲートに印加され、オン/オフが制御されるnMOSトランジスタである。
【0039】
また、第4のスイッチ素子Q4は、一端が第2の電源端子TFa2に接続され、他端が第2の負荷端子TO2に接続されている。なお、この第4のスイッチ素子Q4は、例えば、図1に示すように、PWM制御信号S4がゲートに印加され、オン/オフが制御されるnMOSトランジスタである。
【0040】
また、図1に示すように、第1のチョークコイルL1は、一端が第1の電源端子TFa1に接続され、他端が第1ノードN1に接続されている。
【0041】
また、検出用コンデンサC1は、一端が第1ノードN1に接続されている。
【0042】
また、第1の検出用ダイオードD1、D2は、一端が検出用コンデンサC1の他端に接続され、他端が第2のスイッチ素子Q2の他端に接続されている。
【0043】
この第1の検出用ダイオードD1、D2は、検出用コンデンサC1の他端から第2のスイッチ素子Q2の他端に向けて整流するようになっている。
【0044】
この第1の検出用ダイオードD1、D2は、例えば、図1に示すように、アノードが検出用コンデンサC1の他端に接続され、カソードが第2のスイッチ素子Q2の他端に接続された第1の検出用ダイオードD1、D2である。図1の例では、2つの第1の検出用ダイオードD1、D2が直列に接続されている。
【0045】
また、第2の検出用ダイオードD3、D4は、一端が第2のスイッチ素子Q2の他端に接続され、他端が検出用コンデンサC1の他端に接続されている。
【0046】
この第2の検出用ダイオードD3、D4は、第2のスイッチ素子Q2の他端から検出用コンデンサC1の他端に向けて整流するようになっている。
【0047】
この第2の検出用ダイオードD3、D4は、カソードが検出用コンデンサC1の他端に接続され、アノードが第2のスイッチ素子Q2の他端に接続された第2の検出用ダイオードD3、D4である。図1の例では、2つの第2の検出用ダイオードD3、D4が直列に接続されている。
【0048】
なお、電源電圧VXが正相である場合には、第2の検出用ダイオードD3、D4に電流が流れ、第1の検出用ダイオードD1、D2には電流が流れない。
【0049】
一方、電源電圧VXが逆相である場合には、第1の検出用ダイオードD1、D2に電流が流れ、第2の検出用ダイオードD3、D4には電流が流れない。
【0050】
また、検出回路Xは、検出用コンデンサC1の他端の第1の電圧V1、及び、第2のスイッチ素子Q2の他端(第2の負荷端子TO2)の第2の電圧V2を検出し、この検出結果に応じた検出信号SD1、SD2を出力するようになっている。
【0051】
この検出回路Xは、検出用コンデンサC1に電流が流れる電流検出期間tdに基づいた第1の電圧V1と第2の電圧V2との電位差の変化VFを検出できるようになっている。
【0052】
この検出回路Xは、例えば、図1に示すように、第1の検出信号端子TX1と、第2の検出信号端子TX2と、第1の検出用抵抗RX1と、第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1と、第2の検出用抵抗RX2と、第1の平滑用コンデンサCX1と、第3の検出用抵抗RX3と、第4の検出用抵抗RX4と、第5の検出用抵抗RX5と、第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2と、第6の検出用抵抗RX6と、第2の平滑用コンデンサCX2と、第7の検出用抵抗RX7と、を備える。
【0053】
そして、第1の検出信号端子TX1は、検出信号SD1を出力するようになっている。
【0054】
また、第2の検出信号端子TX2は、検出信号SD2を出力するようになっている。
【0055】
また、第1の検出用抵抗RX1は、一端が電源VCCに接続され、他端が第1の検出信号端子TX1に接続されている。
【0056】
また、第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1は、コレクタが第1の検出信号端子TX1に接続され、エミッタが第2の負荷端子TO2(第2のスイッチ素子Q2の他端)に接続されている。
【0057】
また、第2の検出用抵抗RX2は、一端が検出用コンデンサC1の他端に接続され、他端が第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1のベースに接続されている。
【0058】
また、第1の平滑用コンデンサCX1は、一端が第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1のベースに接続され、他端が第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1のエミッタに接続されている。
【0059】
また、第3の検出用抵抗RX3は、一端が第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1のベースに接続され、他端が第1の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1のエミッタに接続されている。
【0060】
また、第4の検出用抵抗RX4は、一端が電源VCCに接続され、他端が第2の検出信号端子TX2に接続されている。
【0061】
また、第5の検出用抵抗RX5は、一端が第2の検出信号端子TX2に接続されている。
【0062】
また、第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2は、コレクタが第5の検出用抵抗RX5の他端に接続され、エミッタが検出用コンデンサC1の他端に接続されている。
【0063】
また、第6の検出用抵抗RX6は、一端が第2の負荷端子TO2に接続され、他端が第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2のベースに接続されている。
【0064】
また、第2の平滑用コンデンサCX2は、一端が第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2のベースに接続され、他端が第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2のエミッタに接続されている。
【0065】
また、第7の検出用抵抗RX7は、一端が第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2のベースに接続され、他端が第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2のエミッタに接続されている。
【0066】
また、図1に示すように、制御部CONは、上記第1〜第4のスイッチ素子Q1〜Q4であるnMOSトランジスタのゲート・ソース間の電圧(ゲートパルス信号(パルス波のPWM制御信号)S1〜S4)を制御して、当該nMOSトランジスタのオン/オフを制御するようになっている。なお、上記PWM制御信号のパルス波には、デッドタイムが設定されている。
【0067】
そして、制御部CONは、検出信号SD1、SD2に基づいて、第1及び第2のスイッチ素子Q1、Q2を制御するようになっている。
【0068】
例えば、制御部CONは、第1のスイッチ素子Q1がオンし且つ第2のスイッチ素子Q2がオフした状態と、第1のスイッチ素子Q1がオフし且つ第2のスイッチ素子Q2がオンした状態と、相補的に切り替えるように制御するようになっている。
【0069】
さらに、この制御部CONは、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性に応じて、第3及び第4のスイッチ素子Q3、Q4(極性切換アーム)の動作を制御するようになっている。
【0070】
例えば、制御部CONは、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性が第1の極性(正相)である場合には、第3のスイッチ素子Q3をオフし且つ第4のスイッチ素子Q4をオンするようになっている。
【0071】
一方、制御部CONは、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性が第2の極性(逆相)である場合には、第3のスイッチ素子Q3をオンし且つ第4のスイッチ素子Q4をオフするようになっている。
【0072】
ここで、例えば、電源電圧VXが正相である場合に、検出回路Xは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との電位差が、予め設定された閾値電圧以上になった場合には、第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2を出力するようになっている。
【0073】
そして、制御部CONは、第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2に基づいて、第2のスイッチ素子Q2をオンし、第2のスイッチ素子Q2をオンしてから予め設定した制御期間の経過後に、第2のスイッチ素子Q2をオフするようになっている。なお、この制御期間は、出力電圧Voutの目標値に基づいて、設定される(変化する)。
【0074】
そして、制御部CONは、第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2を受けてから、電流検出期間の経過後、第2のスイッチ素子Q2をオンするようになっている。
【0075】
これにより、入力電圧Vinの極性、すなわち、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性が正相である場合には、第1のチョークコイルL1に流れる電流I1が、第4のスイッチ素子Q4を介して流れることとなる。
【0076】
一方、電源電圧VXが逆相である場合に、検出回路Xは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との電位差が、既述の閾値電圧以上になった場合には、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2を出力するようになっている。
【0077】
そして、制御部CONは、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2に基づいて、第1のスイッチ素子Q1をオンし、第1のスイッチ素子Q1をオンしてから予め設定した制御期間の経過後に、第1のスイッチ素子Q1をオフするようになっている。なお、既述の制御期間は、出力電圧Voutの目標値に基づいて、設定される(変化する)。
【0078】
そして、制御部CONは、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2を受けてから、電流検出期間の経過後、第1のスイッチ素子Q1をオンするようになっている。
【0079】
これにより、入力電圧Vinの極性、すなわち、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性が逆相である場合には、第1のチョークコイルL1に流れる電流I1が、第3のスイッチ素子Q3を介して流れることとなる。
【0080】
このように、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性に応じて、制御部CONは、第1のチョークコイルL1に流れる第1の電流I1が周期的に変化するように第1及び第2のスイッチ素子Q1、Q2を制御するようになっている。
【0081】
以上のようにして、制御部CONは、第1の電源端子TFa1の入力電圧Vinの極性、すなわち、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性に応じて、第1から第4のスイッチ素子Q1〜Q4の動作を制御して、PFC(Power Factor Correction)動作を実行するようになっている。
【0082】
そして、既述のように、電源装置100は、第1のチョークコイルL1の電流がゼロになるのを検出する検出素子として、整流素子(ダイオード)D1〜D4を用いているため、検出回路Xに印加される電圧は1.2V(順電圧)程度で低く安定しているため、装置を小型化、低価格化とともに、より正確に検出できる。
【0083】
さらに、整流素子(ダイオード)D1〜D4を用いることで、従来の抵抗を用いる場合と比較して、消費電流を低くすることができる。
【0084】
すなわち、本発明に係る電源装置100は、消費電力を低減して小型化、低価格化しつつ、適切に臨界モードで動作させることができる。
【0085】
次に、以上のような構成を有する電源装置100の動作(電源装置100の制御方法)の一例について、説明する。ここで、図2は、図1に示す電源装置100の動作波形の一例を示す図である。なお、図2では、電源電圧VXが正相である場合について説明しているが、電源電圧VXが逆相の場合は、検出用コンデンサC1の電流の向き、第1、第2の検出用NPN型バイポーラトランジスタQX1、QX2の検出動作、及び、第1、第2のスイッチ素子Q1、Q2の制御が逆になる点以外は、電源電圧VXが正相の場合と同様である。
【0086】
例えば、電源電圧VXが正相である場合には、第3のスイッチ素子Q3がオフに制御され、第4のスイッチ素子Q4がオンに制御されている。
【0087】
そして、例えば、図2の時刻t0以前において、制御部CONが第2のスイッチ素子Q2をオン(第1のスイッチ素子Q1をオフ)している。これにより、第1のチョークコイルL1が励磁され、第1のチョークコイルL1に電流が蓄積される。
【0088】
そして、第2のスイッチ素子Q2をオンする制御期間tcが経過した時刻t0において、制御部CONは、第2のスイッチ素子Q2をオフする。
【0089】
これにより、第1のチョークコイルL1が蓄積した電流が、第1のスイッチ素子Q1経由で、出力コンデンサC2へ放電され、第1のチョークコイルL1の電流I1がゼロになる(時刻t0〜時刻t1)。
【0090】
そして、時刻t1〜時刻t2において、第1のチョークコイルL1と検出用コンデンサC1との間でリンギングが発生し、第2のスイッチ素子Q2のドレイン・ソース間電圧Vdsが低下することとなる。
【0091】
そして、この第1のチョークコイルL1と検出用コンデンサC1との間のリンギングにより生じた電圧変化に伴い、検出用コンデンサC1にコンデンサ電流が流れることとなる(時刻t1〜時刻t2)。
【0092】
そして、この検出用コンデンサC1のコンデンサ電流が、第2の検出用ダイオードD3、D4を流れることにより、第2の検出用ダイオードD3、D4にダイオード電圧(順電圧)VFが発生する。
【0093】
このダイオード電圧VFにより、検出用NPN型バイポーラトランジスタQX2がオンし(時刻t1〜t2)、検出信号SD1のレベルが変化する(検出信号SD2のレベルは変化しない)。
【0094】
このように、電源電圧VXが正相である場合に、既述のように、検出回路Xは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との電位差(ダイオード電圧VF)が、予め設定された閾値電圧以上になった場合には、第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2を出力する。
そして、制御部CONは、この検出信号SD1、SD2に応じて、時刻t2において、PWM制御信号S2により、第2のスイッチ素子Q2をオンする(臨界検出動作)。
【0095】
すなわち、制御部CONは、時刻t1における検出信号SD1のエッジから振動周期「2π√(L1*C1)」半分の時間、制御部CONで遅れ時間tdを作り、第1、第2のスイッチ素子Q1、Q2を駆動する(ZVS動作)又は(谷点スイッチング動作)。
【0096】
このように、制御部CONは、検出回路Xから第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2を受けてから、電流検出期間tdの経過後、第2のスイッチ素子Q2をオンする。
【0097】
そして、制御部CONは、第2のスイッチ素子Q2をオンするための検出信号SD1、SD2に基づいて、第2のスイッチ素子Q2をオンし、第2のスイッチ素子Q2をオン(時刻t2)してから予め設定した制御期間tcの経過後(時刻t3)に、第2のスイッチ素子Q2をオフする。
【0098】
これにより、既述のように、入力電圧Vinの極性、すなわち、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性が正相である場合には、第1のチョークコイルL1に流れる電流I1が、第4のスイッチ素子Q4を介して流れることとなる。
【0099】
同様に、電源電圧VXが逆相である場合には、検出回路Xは、第1の電圧V1と第2の電圧V2との電位差が、既述の閾値電圧以上になった場合には、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2を出力する。
【0100】
そして、制御部CONは、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2に基づいて、第1のスイッチ素子Q1をオンし、第1のスイッチ素子Q1をオンしてから予め設定した制御期間tcの経過後に、第1のスイッチ素子Q1をオフする。
【0101】
そして、制御部CONは、第1のスイッチ素子Q1をオンするための検出信号SD1、SD2を受けてから、電流検出期間tdの経過後、第1のスイッチ素子Q1をオンする。
【0102】
以上のようにして、制御部CONは、第1の電源端子TFa1の入力電圧Vinの極性、すなわち、第1の電源端子TFa1の電源電圧VXの極性に応じて、第1から第4のスイッチ素子Q1〜Q4の動作を制御して、PFC動作を実行する。
【0103】
以上のように、本発明の一態様に係る電源装置は、力率改善回路を含み、負荷に電源を供給する電源装置であって、一端が第1の電源端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のチョークコイルと、一端が第1の負荷端子に接続され、他端が第1ノードに接続された第1のスイッチ素子、及び、一端が第1ノードに接続され、他端が第2の負荷端子に接続された第2のスイッチ素子と、一端が第1の負荷端子に接続され、他端が第2の電源端子に接続された、極性切換用の第3のスイッチ素子、及び、一端が第2の電源端子に接続され、他端が第2の負荷端子に接続された、極性切換用の第4のスイッチ素子と、一端が第1ノードに接続された検出用コンデンサと、一端が検出用コンデンサの他端に接続され、他端が第2のスイッチ素子の他端に接続され、検出用コンデンサの他端から第2のスイッチ素子の他端に向けて整流する第1の検出用整流素子(ダイオード)と、一端が第2のスイッチ素子の他端に接続され、アノードが検出用コンデンサの他端に接続され、第2のスイッチ素子の他端から検出用コンデンサの他端に向けて整流する第2の検出用整流素子(ダイオード)と、検出用コンデンサの他端の第1の電圧、及び、第2のスイッチ素子の他端の第2の電圧を検出し、この検出結果に応じた検出信号を出力する検出回路と、検出信号に基づいて、第1及び第2のスイッチ素子を制御し、第1の電源端子の電源電圧の極性に基づいて、第3及び第4のスイッチ素子の動作を制御する制御部と、を備える。
【0104】
このように、本発明の一態様に係る電源装置は、チョークコイルの電流がゼロになるのを検出する検出素子として、整流素子(ダイオード)を用いているため、検出回路に印加される電圧は1.2V(順電圧)程度で低く安定しているため、装置を小型化、低価格化とともに、より正確に検出できる。
【0105】
さらに、整流素子(ダイオード)を用いることで、従来の抵抗を用いる場合と比較して、消費電流を低くすることができる。
【0106】
すなわち、本発明に係る電源装置は、消費電力を低減して小型化、低価格化しつつ、適切に臨界モードで動作させることができる。
【0107】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【0108】
100 電源装置
G 交流電源
TFa1 第1の電源端子
TFa2 第2の電源端子
TO1 第1の負荷端子
TO2 第2の負荷端子
C2 出力コンデンサ
L1 第1のチョークコイル
CON 制御部
Q1 第1のスイッチ素子
Q2 第2のスイッチ素子
Q3 第3のスイッチ素子
Q4 第4のスイッチ素子
C1 検出用コンデンサ
D1、D2 第1の検出用整流素子
D3、D4 第2の検出用整流素子
X 検出回路
図1
図2