特許 7027989 電源装置、電源システム、及び電源装置におけるＡＣ商用電圧のゼロクロス点検出方法

(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】

(24)【登録日】2022-02-21

(45)【発行日】2022-03-02

(54)【発明の名称】電源装置、電源システム、及び電源装置におけるＡＣ商用電圧のゼロクロス点検出方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20220222BHJP

   G03G 21/00 20060101ALI20220222BHJP

   G03G 15/20 20060101ALI20220222BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 K

G03G21/00 398

G03G15/20 505

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018050589

(22)【出願日】2018-03-19

(65)【公開番号】P2019165528

(43)【公開日】2019-09-26

【審査請求日】2020-11-18

(73)【特許権者】

【識別番号】000006747

【氏名又は名称】株式会社リコー

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】萩原 芳輝

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 崇彦

【審査官】遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】実開昭６０－１３２１８９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００２－２８１７４５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／００－７／９８

Ｇ０３Ｇ ２１／００

Ｇ０３Ｇ １５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡＣ商用電源の交流電圧を直流電圧に変換するアクティブＰＦＣ機能を搭載した絶縁型フライバック方式のＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力の直流電圧からリップル電圧波形を取り出すＡＣカップリング部又はオフセット部と、
前記ＡＣカップリング部又はオフセット部の後段に接続され、前記リップル電圧波形を半波にする半波整流回路、及び該半波整流回路の後段に接続され、前記半波を基に２値信号を出力するシュミットトリガ回路を備えるゼロクロス点検出部と、を備え、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力された直流電圧には、周波数特徴として、前記ＡＣ商用電源の倍の周波数のリップル電圧が現れ、
前記ゼロクロス点検出部は、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点とほぼ合致する、前記ＡＣカップリング部又はオフセット部で取り出される前記リップル電圧波形の位相の上から下へ０と交差する点に基づいて、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点を検出する
電源装置。

【請求項2】

前記ＡＣカップリング部又はオフセット部の後段に、前記リップル電圧波形のピークトゥーピーク電圧を検出するＡＣ商用電圧検出部を備える
請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記ＡＣ／ＤＣコンバータは、
ダイオードブリッジ、コンデンサ、高周波トランス、及び整流ダイオードを備える絶縁型フライバック方式のＡＣ／ＤＣコンバータ部と、
コイル及び制御ＩＣを備えるアクティブＰＦＣ部と、を備える
請求項１又は２に記載の電源装置。

【請求項4】

請求項１乃至３にいずれか一項に記載の電源装置と、
前記電源装置と接続されるシステム制御部と、を備え、
前記システム制御部は、前記ＡＣカップリング部又はオフセット部で取り出される前記リップル電圧波形の位相の上から下へ０と交差する点が、前記ＡＣ商用電源の交流電圧の本来のゼロクロス点よりも早くなる時間差を、前記シュミットトリガ回路の閾値の特性による遅延の固定値を差し引くことで補正する
電源システム。

【請求項5】

電源装置におけるＡＣ商用電圧のゼロクロス点検出方法であって、
アクティブＰＦＣ機能を搭載した絶縁型フライバック方式のＡＣ／ＤＣコンバータによって、ＡＣ商用電源の交流電圧を絶縁しながら直流電圧に変換するステップと、
ＡＣカップリング部又はオフセット部によって、前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力の直流電圧から、リップル電圧波形を取り出すステップと、
半波整流回路によって、前記リップル電圧波形を半波にするステップと、
シュミットトリガ回路によって、前記半波を基に２値信号を出力することで、ゼロクロス点を検出するステップと、を有し、
前記直流電圧に変換するステップで出力された直流電圧には、周波数特徴として、前記ＡＣ商用電源の倍の周波数のリップル電圧が現れ、
前記ゼロクロス点を検出するステップでは、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点とほぼ合致する、前記ＡＣカップリング部又はオフセット部で取り出される前記リップル電圧波形の位相の上から下へ０と交差する点に基づいて、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点を検出する
電源装置におけるＡＣ商用電圧のゼロクロス点検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源装置、電源システム、及び電源装置におけるＡＣ商用電圧のゼロクロス点検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

画像形成装置の電源装置やＡＣ制御基板には、ヒータ定着制御に必要な情報として、ＡＣ商用電源の電圧値や位相をシステム制御部へ伝えるためにＡＣ商用電圧検出回路やゼロクロス点検出回路を装備している。

【0003】

一般的な画像形成装置向けの電源装置のための基板において、ＡＣ商用電圧検出用とゼロクロス点検出用とで各々専用回路の検出基板を実装している技術がある。

【0004】

例えば、特許文献１には、ＡＣ商用電源との絶縁確保のために絶縁素子としてフォトカプラを使用し、ＡＣ商用電源のゼロクロス点を検出する技術が開示されている。

【0005】

また、特許文献２には、ＡＣ商用電源との絶縁確保のために絶縁素子として低周波トランスを使用して、ＡＣ商用電圧の電圧値を検出する技術が開示されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、特許文献１の構成では、フォトカプラの特性によりゼロクロス点の検出の精度が悪く、使用する商用電圧に応じてフォトカプラの仕様を使い分けたとしても、使用する温度変化により、ゼロクロス点の検出のばらつきが発生してしまっていた。

【0007】

また、特許文献２のＡＣ商用電圧検出回路では、絶縁確保のために使用するトランスが、サイズの大きい低周波用であるため、回路実装面積が大きくなってしまった。

【0008】

そこで、本発明は上記事情に鑑み、回路を小型化しながら、精度良くゼロクロス点が検出できる、電源装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するため、本発明の一態様では、
ＡＣ商用電源の交流電圧を直流電圧に変換するアクティブＰＦＣ機能を搭載した絶縁型フライバック方式のＡＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータの出力の直流電圧からリップル電圧波形を取り出すＡＣカップリング部又はオフセット部と、
前記ＡＣカップリング部又はオフセット部の後段に接続され、前記リップル電圧波形を半波にする半波整流回路、及び該半波整流回路の後段に接続され、前記半波を基に２値信号を出力するシュミットトリガ回路を備えるゼロクロス点検出部と、を備え、
前記ＡＣ／ＤＣコンバータから出力された直流電圧には、周波数特徴として、前記ＡＣ商用電源の倍の周波数のリップル電圧が現れ、
前記ゼロクロス点検出部は、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点とほぼ合致する、前記ＡＣカップリング部又はオフセット部で取り出される前記リップル電圧波形の位相の上から下へ０と交差する点に基づいて、前記ＡＣ商用電源の交流電圧のゼロクロス点を検出する
電源装置、を提供する。

【発明の効果】

【0010】

一態様によれば、電源装置において、回路を小型化しながら、精度良くゼロクロス点が検出できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る電源装置の構成についての概略図。

【図2】比較例に係る電源装置の構成図。

【図3】比較例のフォトカプラを用いたＡＣ商用電圧のゼロクロス点の検出についての説明図。

【図4】ＡＣ商用電源１００Ｖ、２００Ｖの、フォトカプラにバラツキを示す表。

【図5】図５に対応するＡＣ商用電源１００Ｖ、２００Ｖの、フォトカプラにバラツキを示すグラフ。

【図6】本発明のゼロクロス点検出に使用する、リップル電圧波形とＡＣ商用電圧について説明する図。

【図7】本発明のゼロクロス点検出の波形処理による検出手順について説明する図。

【図8】本発明のゼロクロス点検出における、リップル電圧波形とＡＣ商用電圧波形との時間差について説明する図。

【図9】本発明のゼロクロス点検出の精度について説明する図。

【図10】本発明のＡＣ商用電圧検出に使用する電源出力のＤＣ電圧に含まれるリップル電圧のピークトゥーピーク電圧について説明する図。

【図11】本発明のＡＣ商用電圧検出の電圧領域による識別方法について説明する図。

【図12】本発明のＡＣ商用電圧検出の波形処理による検出手順について説明する図。

【図13】本発明の図１の電源装置の波形処理回路の詳細な構成例を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。下記、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

【0013】

＜本発明の電源装置＞
図１は、本発明の実施形態に係る電源装置の構成についての概略図である。

【0014】

電源装置１は、ＡＣ商用電源１０からＡＣ（Alternating Current）商用電圧（交流電圧）Ｖ_ＡＣが供給され、直流電圧に変換して、システム制御部３０にＤＣ（Direct Current）電圧（直流電圧）を供給する。電源装置１及びシステム制御部３０は、電源システム１００として機能する。

【0015】

電源装置１は、電源部２、ＡＣカップリング部又はオフセット部３、ゼロクロス点検出部４、及び両極性ピーク検出回路７を備える。電源部２は、アクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータである。

【0016】

ゼロクロス点検出部４は、半波整流回路５及びシュミットトリガ回路６によって構成されている。両極性ピーク検出回路７は、ＡＣ商用電圧検出部として機能する。

【0017】

ＡＣカップリング部又はオフセット部３、半波整流回路５、シュミットトリガ回路６、及び両極性ピーク検出回路７は、電源部２のための波形処理回路である。

【0018】

電源部（電圧変換部）２は、ＡＣ商用電源１０から電源部２へＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣが入力され、直流電圧に変換して出力する。電源部２は、ＡＣ-ＤＣコンバータであって、ダイオードブリッジ２１、電解コンデンサ２２、高周波トランス２３、整流ダイオード２４、制御ＩＣ（Integrated Circuit）２５、及びコイル２６が設けられている。この電源部２では、高周波トランス２３によってＡＣ商用電圧と絶縁されている。

【0019】

制御ＩＣ２５は、高周波トランス２３へのＯＮ/ＯＦＦを制御するスイッチ信号を発生する機能と、アクティブＰＦＣ（Power Factor Correction：力率改善回路）のための監視機能とを有している。

【0020】

電源部２では、４個のダイオードを組み合わせたダイオードブリッジ２１によって、入力されるＡＣ商用電圧波形のマイナス側を反転させてプラス側に出して、全波形をプラス側の電圧にする。

【0021】

電源部２のダイオードブリッジ２１の後段の電解コンデンサ２２、高周波トランス２３、整流ダイオード２４は、フライバック式ＤＣ‐ＤＣコンバータであって、ＯＮ／ＯＦＦ制御されるコンバータである。フライバック式ＤＣ‐ＤＣコンバータでは、高周波トランス２３の一次巻線と二次巻線が逆極性に接続している。フライバック式ＤＣ‐ＤＣコンバータでは、制御ＩＣ２５からの入力（スイッチ信号）がＯＮ期間に高周波トランス２３の一次側がエネルギーを蓄積して、入力がＯＦＦ期間に二次側巻線から放出したエネルギーを、電解コンデンサ２２及び整流ダイオード２４で整流して直流化する。

【0022】

また、制御ＩＣ２５及びコイル２６で構成されるアクティブＰＦＣ部では、交流電圧のピーク部分でのみ発生させる通常のパルス状の電流パターン（高調波）に代えて、ピーク部以外の期間もコイル２６に電力を貯め込むことで、電流波形が正弦波になるように制御する。これにより、生成される電流波形（出力電流）が、高調波を含まないように、電圧波形と同相、相似形になるように補正される。

【0023】

電源部２において、交流から直流に変換された直流電圧は、電解コンデンサ２２によって平滑されてもリップル（Ripple：脈流）は残り、その振幅であるリップル電圧は電解コンデンサ２２の容量と負荷によって変化する。

【0024】

電源部２の出力の、リップル電圧が含まれる直流電圧（ＤＣ電圧）Ｖ_ＤＣは、ＡＣカップリング部又はオフセット部３へ入力されている。

【0025】

ＡＣカップリング部又はオフセット部３の出力の１つは両極性ピークを検出する両極性ピーク検出回路７へ接続されている。

【0026】

両極性ピーク検出回路７はＡＣ商用電圧検出部であり、ＡＣ商用電圧信号を生成し、システム制御部３０へ出力する。

【0027】

ＡＣカップリング部又はオフセット部３の出力の他方は、半波整流回路５とシュミットトリガ回路６で構成されるゼロクロス点検出部４へ接続されている。ゼロクロス点検出部４は、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰを用いてゼロクロス点信号を生成して、システム制御部３０へ出力する。

【0028】

システム制御部３０は、電源入力端子３１、ＡＣ商用電圧検出端子３２、及びゼロクロス点検出端子３３を備える。電源入力端子３１には、電源部２からの直流電圧Ｖ_ＤＣが入力される。

【0029】

システム制御部３のＡＣ商用電圧検出端子３２は、両極性ピーク検出回路７からのＡＣ商用電圧信号により、ＡＣ商用電圧の正確な電圧値を検出する。

【0030】

ゼロクロス点検出端子３３は、ゼロクロス点検出部４からのゼロクロス点信号により、ＡＣ商用電圧の位相を検出する。

【0031】

＜比較例＞
ここで、従来との比較のため、図２～図５を用いて、比較例における、ＡＣ商用電源のゼロクロス点およびＡＣ商用電圧検出について説明する。

【0032】

図２は、比較例に係る電源装置の構成図である。図２に示す比較例の電源装置１Ｘは、電源部２Ｘと、電源部２Ｘの波形処理回路としての、リレー８と、ゼロクロス点検出部４Ｘと、ＡＣ商用電圧検出部９とを備えている。

【0033】

リレー８は、システム制御部３０Ｘのリレー電源３４から電力を受け、リレーＯＮ/ＯＦＦ制御部３５によって制御されてＯＮ／ＯＦＦされる。

【0034】

ゼロクロス点検出部４Ｘは、ダイオードブリッジ４１と、フォトカプラ４２と、同期パルス回路４３とを備えている。

【0035】

ＡＣ商用電圧検出部９は、低周波トランス９１と、ダイオードブリッジ９２と、検知回路９３と、を備えている。

【0036】

比較例の電源装置１Ｘでは、ＡＣ商用電源１０からのＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣの１つが、リレー８を経由して接続することで、ゼロクロス点検出部４Ｘへ入力される。

【0037】

ゼロクロス点検出部４ＸにＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣが入力されると、ダイオードブリッジ４１にて整流して、フォトカプラ４２に電圧が印加されてフォトカプラ４２が動作する。そして、フォトカプラ４２のＣＴＲ（電流伝達率:Current Transfer Ratio）に準じた電流でフォトカプラ４２の２次側に接続された同期パルス回路４３が動作することでゼロクロス信号が生成される。

【0038】

この比較例では、電源部２Ｘの入力前のＡＣ商用電圧を、ゼロクロス点検出部４Ｘに引き込んでいる。そのため、ゼロクロス点検出部４ＸにおけるＡＣ商用電源１０との絶縁のために、フォトカプラ４２を必要とし、ゼロクロス点検出部４Ｘの回路規模が大きくなる。

【0039】

また、電源装置１Ｘでは、ＡＣ商用電源１０からのＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣのもう１つが、リレー８を経由して接続することで、ＡＣ商用電圧検出部９へ入力される。

【0040】

ＡＣ商用電圧検出部９では、入力されたＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣが低周波トランス９１にて降圧される。その降圧された電圧をダイオードブリッジ９２にて整流して、検知回路９３にて直流電圧信号に変換する。直流変換された信号をシステム制御部で換算しＡＣ商用電圧の電圧値を算出する。

【0041】

図２のＡＣ商用電圧検出部９による電源電圧検出方法では、ＡＣ商用電圧を直流電圧信号に変換して測定するので、トランス９１、ダイオードブリッジ９２、検知回路９３が必要となる。この比較例では、ＡＣ商用電圧検出部９は、低周波トランス９１にてＡＣ商用電圧と絶縁されるため、回路規模が大きくなる。

【0042】

ここで、図３～図５を用いてフォトカプラの特性について説明する。

【0043】

図３は、フォトカプラを用いたＡＣ商用電圧のゼロクロス点の検出について説明する図である。

【0044】

フォトカプラがゼロクロス点を検知する場合、フォトカプラを含む検出回路（例えば、ゼロクロス点検出部４Ｘ）は、図３に示すようにＡＣ商用電圧のゼロクロス点が、低電位保持期間内に収まるように、矩形波（２値信号）を生成することで、ゼロクロス点を検知する。

【0045】

この際、フォトカプラを含む検出回路は、矩形波の、下に凸の部分である低い電位保持期間の全幅において、その電位が始まる低電位開始点（立ち下がり時間）から所定時間（フロント時間）経過した時間が、実際にＡＣ商用電圧が０Ｖに交差するゼロクロス点となる。

【0046】

そのため、矩形波の立ち下がりタイミングである低電位開始時間と、実際にＡＣ商用電圧が０Ｖとクロスするゼロクロス点との時間差（フロント）が、測定の際のゼロクロス点の時間差になり、ＡＣ商用電圧のゼロクロスが、フロントの分、早まって検出されることになる。

【0047】

また、通常フォトカプラは、同一部品でもＣＴＲ（電流伝達率）が５０％～６００％まで分布する。そのため、ＡＣ商用電源が異なる仕向け地（国や地域）により、例えば下記のようにＣＴＲを指定する。
１００Ｖ系：８０％～１６０％
２００Ｖ系：２００％～４００％

【0048】

そのため、ゼロクロス点検出にフォトカプラを使用する一般的な電源構成では、ＡＣ商用電圧ＶＡＣによる変動や環境温度によるＣＴＲ変動を小さくするため、仕向地（ＡＣ商用電源１００Ｖ系２００Ｖ系）に準じてフォトカプラの部品の特性値としてＣＴＲを指定し、使い分けている。

【0049】

ここで、図２に示す比較例の電源装置におけるゼロクロス点について測定した。図４、図５を用いて、図２に示す比較例の電源装置におけるゼロクロス点検出を説明する。

【0050】

図４はフォトカプラのバラツキを示す表である。図４において、（ａ）は、ＡＣ商用電源１００Ｖのフォトカプラのバラツキを示し、（ｂ）はＡＣ商用電源２００Ｖのフォトカプラのバラツキを示している。

【0051】

図４において、フロントは低電位開始時間からＡＣ商用電圧のゼロクロス点までの時間差、全幅は、図３（ｂ）に示す矩形波における低電位保持期間を示している。フロント、全幅の数値の単位は、msである。また、左の欄のＣＴＲ列は常温（２５℃）でのＣＴＲ値を示している。

【0052】

表の分布をわかりやすくするため、フロントの値を縦軸に、ＡＣ商用電圧Ｖ_ＡＣ（８３Ｖ，１３８Ｖ）を横軸に、各変動要因（周波数、環境温度、ＣＴＲ）で比べた例を図５（ａ）、図５（ｂ）に示す。図５（ａ）は図４（ａ）の表のＡＣ商用電源１００Ｖのフォトカプラのフロントバラツキの比較を示し、図５（ｂ）は図４（ｂ）の表のＡＣ商用電源２００Ｖのフォトカプラのフロントのバラツキの比較を示す。

【0053】

図５（ａ）、図５（ｂ）により、フロントは温度に応じて太線矢印の範囲でばらつくことがわかる。
１００Ｖ系：0.077ms～1.13ms
２００Ｖ系：0.253ms～1.794ms
電圧全範囲では、0.077ms～1.794ms（0.08ms～1.80msとする）

【0054】

このように、仕向地（ＡＣ商用電源１００Ｖ系２００Ｖ系）に応じて仕分けたとしても、図４、図５に示すように、低電位保持期間の開始からゼロクロス点までの時間差であるとフロントの時間は、大きく変動する。

【0055】

即ち、ゼロクロス点検出として比較例のようにフォトカプラを使用すると、環境温度により部品特性（ＣＴＲ）が大きく変わり、さらにＡＣ商用電圧によりフォトカプラに流れる電流も変わることから、ゼロクロス点検出が大きく変動する。

【0056】

これに対して、本発明では、ゼロクロス点の検出にフォトカプラは使用しない。本発明のゼロクロス点の詳細について下記説明する。

【0057】

＜本発明の波形処理：リップル電圧のＡＣ成分＞
図６は、本発明のゼロクロス点検出で使用する、リップル電圧波形とＡＣ商用電圧について説明する図である。

【0058】

図１の構成において、ゼロクロス検出は、アクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータ２の出力電圧の波形特性から算出していく。

【0059】

電源部２を構成するアクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータ２は、電解コンデンサ２２の容量が小さく、フライバック方式のコンバータであるため、ＡＣ商用電源の周波数特徴が、電源部２からの出力の直流電圧Ｖ_ＤＣにおいて、そのままリップル電圧として重畳して現れる。

【0060】

ゼロクロス点検出において、このリップル電圧を利用する。詳しくは、電源部２の出力の直流電圧Ｖ_ＤＣには、周波数特徴として、ＡＣ商用電源の周波数（50Hz，60Hz）の倍の周波数のリップル電圧が現れる。

【0061】

そして、ＡＣカップリング部又はオフセット部３は、電源出力の直流電圧Ｖ_ＤＣからＡＣカップリング（あるいはＤＣ成分のオフセット）してＡＣ成分波形（リップル電圧）のみ取り出すと、図６のように、位相としてリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰの上から下へ０Ｖと交差する点でＡＣ商用電源周波数がゼロクロスする点とがほぼ合致する。これによりＡＣ商用電圧や周波数が変動してもゼロクロス点を精度よく検出できる。

【0062】

＜ゼロクロス点検出＞
図７は、本発明のゼロクロス点検出の波形処理による検出手順について説明する図である。

【0063】

検出手順として図のように、電源部２の出力⇒ＡＣカップリング（あるいはＤＣオフセット）回路⇒半波整流回路５⇒シュミットトリガ回路６の順でゼロクロス点を検出する。また各回路で、どのように波形整形していくかを右側に図で示している。

【0064】

Ｓ１：電源部２は、リップルを含むＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣを出力する。このＤＣ電圧波形には、交流成分であるリップル電圧が重畳している。

【0065】

Ｓ２：ＡＣカップリング部３では、電源部２から出力されたＡＣ（交流）成分（リップル成分）とＤＣ（直流）成分の両方を含むＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣから、ＤＣ信号成分を除去してＡＣ成分（リップル電圧Ｖ_ＲＩＰ）を取り出す。電源出力のＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣのＤＣ成分が電圧オフセットとなり、そのオフセットを除去することで後段の計測の分解能を向上することができる。

【0066】

Ｓ３：半波整流回路５では、電源出力のＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣのリップル電圧から取り出されたＡＣ成分であるリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰを、半周期ごとにカットして半周期だけ電流を流すように整流する。

【0067】

Ｓ４：シュミットトリガ回路６では、入力信号に対する閾値を２つ持ち、入力信号の電位が高い閾値を超えたときに論理Ｈの電位を出力し、逆に入力信号の電位が低い閾値を下回ったときに論理Ｌの電位を出力する。入力信号が低い閾値と高い閾値の間にあるときは直前の出力電位を保持する。シュミットトリガ回路６により出力された波形は２値信号（矩形波）になり、立ち下がり部分でゼロクロスのタイミングを検出する。

【0068】

次に、ＡＣ商用電源の交流電圧波形（ＡＣ商用電圧波形）と、電源出力のＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣのリップル電圧から取り出されたＡＣ成分であるリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰとを比較する。図８は、本発明のゼロクロス点検出における、リップル電圧波形とＡＣ商用電圧波形との時間差について説明する図である。

【0069】

詳しくは、図８（ａ）は、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰとＡＣ商用電圧波形を示す図である。図８（ｂ）はＡＣ商用電源１０が低電圧（83V）のときのリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰとＡＣ商用電圧波形のゼロクロス点付近の拡大図である。図８（ｃ）はＡＣ商用電源１０が高電圧（276V）のときのリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰとＡＣ商用電圧波形のゼロクロス点付近の拡大図である。

【0070】

図８（ａ）を参照すると、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰが上から下へ０Ｖと交差する点で、ＡＣ商用電圧波形のゼロクロス点がほぼ合致している。

【0071】

しかし、その拡大波形にて時間差を確認すると、図８（ｂ）に示すＡＣ商用電源の低電圧（83V）と、図８（ｃ）に示す高電圧（276V）で、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰとＡＣ商用電圧波形で時間差が発生している。そして、図８（ｂ）と図８（ｃ）を比較すると、高電圧になるほど時間差が大きくなる。

【0072】

図８の例では、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰと、ＡＣ商用電圧のゼロクロス点との時間差は、最小差0.25ms（83Vのとき）、最大差0.63ms（276V）となる。

【0073】

また、図８（ｂ）及び図８（ｃ）より、リップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰのゼロクロス点は、ＡＣ商用電圧波形のゼロクロス点よりも、早まるように時間差が発生することがわかる。

【0074】

次に、上記のゼロクロス点検出手順によって発生する本発明のゼロクロス点の検出誤差について説明する。図９は、本発明のゼロクロス点検出の精度について説明する図である。

【0075】

まず、（１）として、図６で示したように、電源出力のＤＣ電圧波形Ｖ_ＤＣのリップル電圧から取り出されたＡＣ成分であるリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰは、ＡＣ商用電圧波形の本来のゼロクロス点から、0.25ms～0.63ms早まる方に時間差が発生する。

【0076】

加えて、（２）半波整流後のシュミットトリガ回路６の閾値の特性により、シュミットトリガ回路６の入力値であるリップル電圧波形Ｖ_ＲＩＰのゼロクロス点から0.2msで時間遅延する。この遅延時間はＡＣ商用電圧や環境温度でのばらつきは小さく、固定値となる。

【0077】

そして、システム制御部３０において、（１）の時間差（誤差）から（２）の固定値（0.2ms）を差し引くように補正すると、（３）差分の0.05ms～0.43msの誤差が発生する。

【0078】

ここで、本発明の誤差と、ＡＣ商用電圧や環境温度で変動するフォトカプラを使用したゼロクロス点検出の誤差0.08ms～1.80msと比較すると、本発明のゼロクロス点検出の方が誤差が少なく、精度が良いことがわかる。

【0079】

＜ＡＣ商用電圧の検出＞
図１０～図１２を用いて、本発明のＡＣ商用電圧検出の方法について説明する。

【0080】

図１０は、本発明のＡＣ商用電圧検出に使用する電源出力のＤＣ電圧に含まれるリップル電圧のピークトゥーピーク電圧について説明する図である。

【0081】

図１の構成において、ＡＣ商用電圧検出も、アクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータ２の出力電圧の波形特性から算出していく。

【0082】

両極性ピーク検出回路７から成るＡＣ商用電圧検出部では、この電源部２のリップル電圧を含むＤＣ電圧波形に含まれるリップル電圧の最大値と最小値の差（＝リップルの幅）であるピークトゥーピーク電圧の値を利用する。

【0083】

図１１は、本発明のＡＣ商用電圧検出の電圧領域による識別方法について説明する図である。

【0084】

ＡＣ商用電圧検出方法として、アクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータの出力電圧は、ＡＣ商用電圧の電圧領域に応じて、図１１のようにピークトゥーピーク電圧の値が変動する。

【0085】

図１１のようにピークトゥーピーク電圧値がリニア特性ではないのでＡＣ商用電源の１００Ｖ系の電圧領域、２００Ｖ系の電圧領域のどちらを使用するか、システム制御部３０であらかじめ設定した上でピークトゥーピーク電圧検出値からＡＣ商用電圧を識別する。

【0086】

図１２は、本発明のＡＣ商用電圧検出の波形処理による検出手順について説明する図である。

【0087】

検出手順としてＳ１１での電源装置出力からＳ１２のＡＣカップリング（あるいはＤＣ成分のオフセット）までは、図７に示すゼロクロス点検出と同様であるが、ＡＣ商用電圧検出では、ＡＣカップリング（オフセット）後に、両極性ピーク検出回路７にてピークトゥーピーク電圧値を取り出す（Ｓ１３）。

【0088】

また各回路で、どのように波形整形していくかを右側図で示している。図１１において、Ｓ１１、Ｓ１２は、図７のＳ１、Ｓ２と共通する。

【0089】

Ｓ１３：両極性ピーク検出回路７は、ピークトゥーピーク電圧値を取り出すことで、リップル電圧をとり除いた、安定した直流電圧値を出力する。例えば、両極性ピーク検出回路７は、リップル電圧のプラス側とマイナス側のピーク値をホールドして中央値を算出し、Ｓ１２でオフセットさせたＤＣ成分を基に戻すようにオフセットさせることで、安定した直流電圧値を出力する。

【0090】

＜電源装置の波形処理回路＞
図１３は、本発明の図１の電源装置の波形処理回路の詳細な構成例を示す回路図である。なお、図１３に示す回路構成は一例であって、各部の上述の図６～図１１で示した波形処理が達成できれば、他の回路構成であってもよい。

【0091】

ＡＣカップリング部３は、信号に対して直列に接続される、コンデンサＣ０によって構成される。

【0092】

半波整流回路５は、オペアンプＯ１と、２つのダイオードＤ１，Ｄ２、及び抵抗Ｒ１を備えている。オペアンプＯ１により、Vin＜0のときにVout=0を出力することで、半波を生成する。

【0093】

シュミットトリガ回路６は、２つのＮＰＮトランジスタＴ１，Ｔ２、５つの抵抗Ｒ２～Ｒ６を備えている。Ｔ１，Ｔ２が夫々閾値に対してオン、オフすることで、シュミットトリガ回路６は、ヒストリシス特性を有する。

【0094】

両極性ピーク検出部は、４つのオペアンプＯ２～Ｏ５と、２つのダイオードＤ３、Ｄ４と、４つのコンデンサＣ１～Ｃ４と、２つのスイッチＳ１、Ｓ２と、１つの可変抵抗接続オペアンプＯ６と、９個の抵抗Ｒ７～Ｒ１６とを備えている。

【0095】

両極性ピーク検出回路７の上段の２つのオペアンプＯ２、Ｏ３と、ダイオードＤ３、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２と、スイッチＳ１と、４つの抵抗Ｒ７～Ｒ１０はピークホールド回路である。同様に、下段の２つのオペアンプＯ４、Ｏ５と、ダイオードＤ４、２つのコンデンサＣ３、Ｃ４と、スイッチＳ２と、４つの抵抗Ｒ１１～Ｒ１４はピークホールド回路である。

【0096】

可変抵抗接続オペアンプＯ６と抵抗Ｒ１５は、入力のオフセット電圧を調整する。

【0097】

図１に示したように電源部２は、低周波トランスよりも小さい高周波トランスによって、絶縁機能を有している。そして、ＡＣ商用電圧検出としては、当該電源装置の出力に現れるリップル電圧波形からＡＣ商用電圧を検出できるため、ＡＣ商用電圧検出専用の低周波トランスが不要になり、図１０に示したように波形処理回路において大型の素子が不要になる。そのため、本発明では、波形処理回路を含めた電源装置を小型化することができる。

【0098】

また、図９に示したように、本発明のゼロクロス点検出では、フォトカプラを使用せずに、ＡＣ商用電源の周波数および電圧特徴が出たアクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータ方式の電源装置に波形処理回路を付け、電源出力のＤＣ電圧波形のリップル電圧を使用することで、精度良くゼロクロス点を検出することができる。

【0099】

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

【符号の説明】

【0100】

１０ ＡＣ商用電源
１ 電源装置
２ 電源部（アクティブＰＦＣ搭載絶縁型フライバックコンバータ）
３ ＡＣカップリング又はオフセット回路
４ ゼロクロス点検出部
５ 半波整流回路
６ シュミットトリガ
７ 両極性ピーク検出回路（ＡＣ商用電圧検出部）
３０ システム電源
１ 電源装置
１０ ＡＣ商用電源
１００ 電源システム
Ｖ_ＡＣ ＡＣ商用電圧（交流電圧）
Ｖ_ＤＣ 電源出力のＤＣ電圧（直流電圧）
Ｖ_ＲＩＰ リップル電圧波形

【先行技術文献】

【特許文献】

【0101】

【文献】特開平０６‐１１０１４１号公報

【文献】特開２００８－０５２０４５号公報

【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】