JP5136317B2 - Power supply - Google Patents
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Description
この発明は、交流電流を整流し、安定した直流電圧を生成する電源装置に関し、特に、PFC制御回路を有する電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device that rectifies an alternating current and generates a stable DC voltage, and more particularly to a power supply device having a PFC control circuit.
PFC(Power Factor Correction:力率改善 )制御ICを有する電源装置は、力率を改善することによって、高調波の発生を抑制することができる。このような電源装置としては、以下の特許文献1に記載の電源装置が知られている。
A power supply device having a PFC (Power Factor Correction) control IC can suppress the generation of harmonics by improving the power factor. As such a power supply device, a power supply device described in
特許文献1に記載の電源装置は、起動時や、交流電源の瞬停(瞬間的な交流電源の供給停止)後の復帰時に入力電圧が急激に上昇する時に、コンデンサに過大な電流が流れ、スイッチング素子が過大な電流によって破壊されることを防止することを目的とするものである。特許文献1には、検出抵抗に電流を流し、検出された電圧を基準値と比較し、過大な電流が検出されると、スイッチング素子に対するドライブパルスの出力を停止するようにしている。
The power supply device described in
さらに、PFC制御回路としてノイズ成分を分散させる目的でもって、スイッチング素子のスイッチング周波数を高くすることが下記の特許文献2に記載されている。 Further, Patent Document 2 below describes increasing the switching frequency of a switching element for the purpose of dispersing noise components as a PFC control circuit.
PFC制御方式として、臨界モードと電流連続モード(以下、連続モードと称する)との2種類が知られている。図1を参照して、従来の臨界モードのPFC制御回路を有する電源装置の一例について説明する。図1に示すように、ブリッジ整流回路BDは、交流電源(商用電源)Vacの交流電圧を整流して全波整流電圧を平滑コンデンサCiに供給する。平滑コンデンサCiの両端に入力(直流)電圧Vinが出力される。 Two types of PFC control methods are known: a critical mode and a continuous current mode (hereinafter referred to as continuous mode). An example of a power supply device having a conventional critical mode PFC control circuit will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the bridge rectifier circuit BD rectifies the AC voltage of the AC power supply (commercial power supply) Vac and supplies the full-wave rectified voltage to the smoothing capacitor Ci. An input (DC) voltage Vin is output across the smoothing capacitor Ci.
ブリッジ整流回路BDの一方の出力端子(非接地側)がチョークコイルL1の一端に接続され、チョークコイルL1の他端がダイオードD1を介して一方の出力端子に接続される。チョークコイルL1の他端とダイオードD1の接続点と、他方の出力端子との間にスイッチング素子としてのFET(Field Effect Transistor ;電界効果トランジスタ)Q1のドレインが接続される。FETQ1は、例えばNチャンネル形FETである。FETQ1のソースが接地される。 One output terminal (non-grounded side) of the bridge rectifier circuit BD is connected to one end of the choke coil L1, and the other end of the choke coil L1 is connected to one output terminal via the diode D1. A drain of a FET (Field Effect Transistor) Q1 as a switching element is connected between the other end of the choke coil L1 and the diode D1 and the other output terminal. The FET Q1 is, for example, an N channel type FET. The source of the FET Q1 is grounded.
チョークコイルL1の二次巻線として、検出巻線L2が接続される。検出巻線L2は、チョークコイルL1を流れる電流が0となることを検出するために設けられている。検出巻線L2の出力信号がPFC制御回路1Aに対して供給される。FETQ1のゲートに対してPFC制御回路1Aにより形成されたドライブパルスOUTが供給される。 The detection winding L2 is connected as a secondary winding of the choke coil L1. The detection winding L2 is provided to detect that the current flowing through the choke coil L1 becomes zero. An output signal from the detection winding L2 is supplied to the PFC control circuit 1A. A drive pulse OUT formed by the PFC control circuit 1A is supplied to the gate of the FET Q1.
FETQ1のドレインがダイオードD1を順方向に介してコンデンサCoの一端に接続される。コンデンサCoの他端が接地される。コンデンサCoの両端に出力電圧Voutが発生する。出力電圧Voutが負荷(図示しない)に対して印加される。 The drain of the FET Q1 is connected to one end of the capacitor Co via the diode D1 in the forward direction. The other end of the capacitor Co is grounded. An output voltage Vout is generated across the capacitor Co. An output voltage Vout is applied to a load (not shown).
昇圧形コンバータが構成され、入力電圧Vinより高い出力電圧Voutが形成される。FETQ1は、ドライブパルスOUTの論理値がローレベル(以下、Lと表記する)期間でONし、その論理値がハイレベル(以下、Hと表記する)期間でオフする。 A boost converter is configured, and an output voltage Vout higher than the input voltage Vin is formed. The FET Q1 is turned on when the logical value of the drive pulse OUT is low level (hereinafter referred to as L), and turned off when the logical value is high level (hereinafter referred to as H).
FETQ1がONする期間では、チョークコイルL1およびFETQ1を介して電流が流れる。次に、FETQ1がオフすると、チョークコイルL1、ダイオードD1およびコンデンサCoを介して電流が流れる。検出巻線L2によってチョークコイルL1を流れる電流がゼロになることを検出し、この検出直後にFETQ1をONとするドライブパルスOUTをPFC制御回路1Aが出力する。 During the period when the FET Q1 is ON, a current flows through the choke coil L1 and the FET Q1. Next, when the FET Q1 is turned off, a current flows through the choke coil L1, the diode D1, and the capacitor Co. The detection winding L2 detects that the current flowing through the choke coil L1 becomes zero, and immediately after this detection, the PFC control circuit 1A outputs a drive pulse OUT that turns on the FET Q1.
図2は、臨界モードにおいてチョークコイルL1を流れる電流波形を示す。電流のピーク値は、FETQ1のON期間の長さと入力電圧Vinとに比例した値となり、チョークコイルL1のインダクタンス成分に反比例した値となる。図2Aに示される電流波形に対して負荷が重くなると図2Bに示される電流波形となる。すなわち、負荷が重くなるにしたがって電流のピーク値が大きくなると共に、周波数が低下する。臨界モードの場合、このように、負荷が重くなるとチョークコイルL1に流れる電流のピーク値が大きくなり、大電力の用途に不向きの欠点があった。 FIG. 2 shows a current waveform flowing through the choke coil L1 in the critical mode. The peak value of the current is a value proportional to the length of the ON period of the FET Q1 and the input voltage Vin, and is a value inversely proportional to the inductance component of the choke coil L1. When the load becomes heavier than the current waveform shown in FIG. 2A, the current waveform shown in FIG. 2B is obtained. That is, as the load increases, the peak value of the current increases and the frequency decreases. In the case of the critical mode, as described above, when the load becomes heavy, the peak value of the current flowing through the choke coil L1 becomes large, and there is a disadvantage that is unsuitable for high power applications.
次に、図3を参照して、連続モードについて説明する。連続モードのPFC制御回路1Bは、固定周波数の発振器を有し、固定周波数のドライブパルスOUTを生成する。ドライブパルスOUTがFETQ1のゲートに供給される。臨界モードと同様に、電流のピーク値は、FETQ1のON期間の長さと入力電圧Vinとに比例した値となり、チョークコイルL1のインダクタンス成分に反比例した値となる。連続モードでは、ON期間の長さが発振器の出力周波数で決まる固定の値とされている。 Next, the continuous mode will be described with reference to FIG. The PFC control circuit 1B in the continuous mode has a fixed frequency oscillator and generates a fixed frequency drive pulse OUT. A drive pulse OUT is supplied to the gate of the FET Q1. Similar to the critical mode, the current peak value is proportional to the length of the ON period of the FET Q1 and the input voltage Vin, and inversely proportional to the inductance component of the choke coil L1. In the continuous mode, the length of the ON period is a fixed value determined by the output frequency of the oscillator.
連続モードでは、固定周波数のドライブパルスOUTでFETQ1がスイッチング動作を行うので、図4に示すように、チョークコイルL1を流れる電流がゼロにならない。図4Aの電流波形に対して、負荷が重くなった場合の電流波形を図4Bに示す。負荷が重くなった場合に、電流波形のピーク値は、変化しないで、平均値(直流成分)が増大する。かかる連続モードは、臨界モードに比して大電力の用途に向いている。 In the continuous mode, the FET Q1 performs a switching operation with a drive pulse OUT having a fixed frequency, so that the current flowing through the choke coil L1 does not become zero as shown in FIG. FIG. 4B shows a current waveform when the load becomes heavy with respect to the current waveform of FIG. 4A. When the load becomes heavy, the peak value of the current waveform does not change, and the average value (DC component) increases. Such a continuous mode is suitable for high power applications as compared to the critical mode.
連続モードは、臨界モードと異なり、電流が流れている状態でFETQ1がスイッチング動作を行うので、損失とスイッチングノイズが発生する問題点がある。損失について図5および図6を参照して説明する。 Unlike the critical mode, the continuous mode has a problem that loss and switching noise occur because the FET Q1 performs a switching operation in a state where a current flows. The loss will be described with reference to FIGS.
FETQ1のドレイン・ソース間電圧をVDSと表記し、FETQ1のドレインからソースに流れるドレイン電流をIDと表記する。図5Aは、電圧VDSおよび電流ID の波形を
示す。FETQ1がONする破線で囲んだ部分の波形を図5Bに拡大して示し、FETQ1がOFFする破線で囲んだ部分の波形を図5Cに拡大して示す。
The drain-source voltage of the FET Q1 is denoted as V DS, and the drain current flowing from the drain to the source of the FET Q1 is denoted as I D. FIG. 5A shows waveforms of voltage V DS and current ID . FIG. 5B shows an enlarged waveform of a portion surrounded by a broken line where the FET Q1 is turned ON, and FIG. 5C shows an enlarged waveform of a portion surrounded by a broken line where the FET Q1 is turned OFF.
FETQ1に対して電圧VDSが印加されている状態で、電流IDが流れる区間でスイッ
チング損失が生じる。図5Bにおいて斜線を付したON時(OFFからONへの遷移区間)でスイッチング損失(ON時)が発生し、図5Cにおいて斜線を付したOFF時(ONからOFFへの遷移区間)でスイッチング損失が発生する。OFFからONに遷移する時に、チョークコイルL1の寄生容量によるヒゲ状の電流が発生する。
In the state where the voltage V DS is applied to the FET Q1, switching loss occurs in the section where the current I D flows. In FIG. 5B, a switching loss (ON time) occurs when the hatched ON (transition interval from OFF to ON) occurs, and in FIG. 5C, the switching loss occurs when the hatched OFF (transition interval from ON to OFF). Will occur. When transitioning from OFF to ON, a whisker-like current is generated due to the parasitic capacitance of the choke coil L1.
連続モードにおいては、スイッチング周波数を高くすることによって1パルスごとの電流を減少させることができ、チョークコイルの直流重畳特性に対する要求が緩やかとなり、チョークコイルL1を小型化できる。しかしながら、周波数を高くすると、スイッチング損失が増加し、スイッチング素子のFETQ1に対する負担が増加する。 In the continuous mode, the current for each pulse can be reduced by increasing the switching frequency, the demand for the DC superimposition characteristics of the choke coil becomes gradual, and the choke coil L1 can be downsized. However, when the frequency is increased, the switching loss increases and the burden on the FET Q1 of the switching element increases.
連続モードの損失について、ドライブパルスOUTの周波数が変化した場合の変化について図6を参照して説明する。図6A,図6Bおよび図6Cは、ドライブパルスOUTの周波数が例えば100kHzの場合の電圧VDSおよび電流IDの波形を示す。図6D,図6
Eおよび図6Fは、ドライブパルスOUTの周波数が例えば130kHzの場合の電圧VDSおよび電流IDの波形を示す。
Regarding the loss in the continuous mode, the change when the frequency of the drive pulse OUT changes will be described with reference to FIG. 6A, 6B, and 6C show waveforms of the voltage V DS and the current ID when the frequency of the drive pulse OUT is, for example, 100 kHz. 6D and 6
E and FIG. 6F show waveforms of the voltage V DS and the current ID when the frequency of the drive pulse OUT is, for example, 130 kHz.
ドライブパルスOUTの周波数をより高くすることは、図6Bおよび図6Eの波形図を比較すると分かるように、電流IDを減少させることができる。その結果、OFF時の損
失をより少なくすることができる。しかしながら、図6Cおよび図6Fの波形図を比較すると分かるように、周波数を高くすると、ON時の電流IDが増加し、ON時の損失が増
加する。
Increasing the frequency of the drive pulse OUT can reduce the current ID as can be seen by comparing the waveform diagrams of FIGS. 6B and 6E. As a result, the loss at the time of OFF can be further reduced. However, as can be seen by comparing the waveform diagrams of FIG. 6C and FIG. 6F, when the frequency is increased, the current I D at the ON time increases and the loss at the ON time increases.
OFF時の損失の減少分と、ON時の損失の増加分を比較すると、OFF時の損失の減少分がより多い。したがって、1回のON時およびOFF時の区間では、スイッチング損失を減少させることができる。しかしながら、ドライブパルスOUTの周波数が高いことは、同じ時間幅の中で、スイッチング回数が増加する。その結果、トータルとしての損失は、増加してしまう問題がある。したがって、例えば特許文献2に記載されているように、連続モードにおいて、ドライブパルスOUTの周波数を高くすると、スイッチング損失が増加する問題があった。 Comparing the decrease in loss at OFF and the increase in loss at ON, the decrease in loss at OFF is more. Therefore, the switching loss can be reduced in the section of one ON time and OFF time. However, if the frequency of the drive pulse OUT is high, the number of times of switching increases within the same time width. As a result, there is a problem that the total loss increases. Therefore, as described in Patent Document 2, for example, there is a problem that switching loss increases when the frequency of the drive pulse OUT is increased in the continuous mode.
このように、周波数を高くすることは、チョークコイルを小型化できるが、損失の増加が発生する。逆に周波数が低いと、チョークコイルとして直流重畳特性の良好なもの、すなわち、大型なコイルが必要となる。 Thus, increasing the frequency can reduce the size of the choke coil, but increases the loss. On the other hand, if the frequency is low, a choke coil having good DC superposition characteristics, that is, a large coil is required.
したがって、この発明の目的は、上記問題点を解消し、小型なチョークコイルを使用することができると共に、損失を低減することができる電源装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a power supply apparatus that can solve the above problems, use a small choke coil, and reduce loss.
上述した課題を解決するために、この発明は、入力電圧が供給される第1および第2の入力端子と、
出力電圧が取り出される第1および第2の出力端子と、
一端が第1の入力端子に接続され、他端がダイオードを介して第1の出力端子に接続されたチョークコイルと、
チョークコイルの他端およびダイオードの接続点と、第2の出力端子との間に接続されたスイッチング素子と、
ダイオードおよび第1の出力端子の接続点と、第2の出力端子との間に接続されたコンデンサと、
スイッチング素子がONする時に流れる電流を予め設定したしきい値と比較する比較部と、
発振器と、出力電圧を安定化するために、発振器の出力信号から形成されたパルス信号のデューティ比を制御するパルス幅変調回路と、パルス幅変調回路からの出力信号が供給され、比較部からの比較信号によって出力信号の周波数を切り替える周波数切り替え回路と、周波数切り替え回路からスイッチング素子をON/OFFさせるパルス信号を出力するPFC制御回路と
を備え、
周波数切り替え回路は、スイッチング素子がONする時に流れる電流がしきい値より大か、またはしきい値以上の場合に、パルス信号の周波数をより高い周波数に切り替える電源装置である。
In order to solve the above-described problem, the present invention includes first and second input terminals to which an input voltage is supplied,
First and second output terminals from which output voltages are derived;
A choke coil having one end connected to the first input terminal and the other end connected to the first output terminal via a diode;
A switching element connected between the other end of the choke coil and the connection point of the diode and the second output terminal;
A capacitor connected between the connection point of the diode and the first output terminal and the second output terminal;
A comparator that compares the current that flows when the switching element is turned on with a preset threshold value;
In order to stabilize the output voltage of the oscillator, the pulse width modulation circuit for controlling the duty ratio of the pulse signal formed from the output signal of the oscillator, and the output signal from the pulse width modulation circuit are supplied, A frequency switching circuit for switching the frequency of the output signal by the comparison signal, and a PFC control circuit for outputting a pulse signal for turning on / off the switching element from the frequency switching circuit,
The frequency switching circuit is a power supply device that switches the frequency of the pulse signal to a higher frequency when the current that flows when the switching element is turned on is greater than or greater than the threshold.
好ましくは、スイッチング素子がFETであり、
比較部は、FETのドレイン電流を抵抗によって検出電圧に変換し、検出電圧をしきい値電圧と比較して比較信号を出力する。
Preferably, the switching element is a FET,
The comparison unit converts the drain current of the FET into a detection voltage using a resistor, compares the detection voltage with a threshold voltage, and outputs a comparison signal.
好ましくは、発振器の発振周波数が固定とされ、
発振器の出力信号と、発振器の出力信号を分周した分周出力との一方が選択回路によって選択され、
スイッチング素子がONする時に流れる電流がしきい値より大か、またはしきい値以上の場合以外に、分周出力を選択回路によって選択する。
Preferably, the oscillation frequency of the oscillator is fixed,
One of the output signal of the oscillator and the divided output obtained by dividing the output signal of the oscillator is selected by the selection circuit,
The divided output is selected by the selection circuit except when the current flowing when the switching element is turned on is larger than the threshold value or more than the threshold value.
好ましくは、パルス幅変調回路は、出力電圧と対応する信号に応じてパルス幅変調された出力信号を形成する。
Preferably, the pulse width modulation circuit forms an output signal that is pulse width modulated in accordance with a signal corresponding to the output voltage .
さらに、入力電圧を予め設定したしきい値と比較し、入力電圧がしきい値より小か、またはしきい値以下の場合に、パルス信号の周波数をより高い周波数に切り替える。 Further, the input voltage is compared with a preset threshold value, and when the input voltage is lower than the threshold value or lower than the threshold value, the frequency of the pulse signal is switched to a higher frequency.
この発明によれば、負荷が重い場合のみスイッチング周波数を高くするので、チョークコイルの大型化を防止できると共に、スイッチング損失が増加することを防止できる。 According to the present invention, since the switching frequency is increased only when the load is heavy, it is possible to prevent the choke coil from becoming large and to prevent the switching loss from increasing.
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照しながら説明する。この一実施の形態は、図7に示す連続モードのPFC制御回路を有する電源装置に対して適用されたものである。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. This embodiment is applied to a power supply apparatus having a continuous mode PFC control circuit shown in FIG.
図7に示すように、ブリッジ整流回路BDおよび平滑コンデンサCiは、交流電源(商用電源)Vacの交流電圧を整流して全波整流電圧を平滑コンデンサCiに供給する。平滑コンデンサCiの両端(第1および第2の入力端子)に入力(直流)電圧Vinが出力される。 As shown in FIG. 7, the bridge rectifier circuit BD and the smoothing capacitor Ci rectify the AC voltage of the AC power supply (commercial power supply) Vac and supply the full-wave rectified voltage to the smoothing capacitor Ci. An input (DC) voltage Vin is output to both ends (first and second input terminals) of the smoothing capacitor Ci.
ブリッジ整流回路BDの一方の出力端子(非接地側の第1の入力端子)がチョークコイルL1の一端に接続され、チョークコイルL1の他端がダイオードD1を介して第1の出力端子に接続される。チョークコイルL1の他端とダイオードD1の接続点と、第2の出力端子との間にスイッチング素子としてのFETQ1のドレインが接続される。FETQ1は、例えばNチャンネルFETである。FETQ1のソースが接地される。FETQ1のドレイン・ソース間には、寄生ダイオード(図示しない)が存在する。FETQ1のゲートに対してPFC制御回路1Cにより形成されたドライブパルスOUTが供給される。 One output terminal (non-grounded first input terminal) of the bridge rectifier circuit BD is connected to one end of the choke coil L1, and the other end of the choke coil L1 is connected to the first output terminal via the diode D1. The The drain of the FET Q1 as a switching element is connected between the other end of the choke coil L1 and the diode D1 and the second output terminal. The FET Q1 is, for example, an N channel FET. The source of the FET Q1 is grounded. A parasitic diode (not shown) exists between the drain and source of the FET Q1. A drive pulse OUT formed by the PFC control circuit 1C is supplied to the gate of the FET Q1.
FETQ1のドレインがダイオードD1を順方向に介してコンデンサCoの一端に接続される。コンデンサCoの他端が接地される。コンデンサCoの両端(第1および第2の出力端子)に出力電圧Voutが発生する。出力電圧Voutが負荷(図示しない)に対して印加される。 The drain of the FET Q1 is connected to one end of the capacitor Co via the diode D1 in the forward direction. The other end of the capacitor Co is grounded. An output voltage Vout is generated at both ends (first and second output terminals) of the capacitor Co. An output voltage Vout is applied to a load (not shown).
昇圧形コンバータが構成され、入力電圧Vinより高い出力電圧Voutが形成される。スイッチング素子としてのFETQ1は、PFC制御回路1Cのドライブ回路13からドライブパルスOUTが供給される。FETQ1は、ドライブパルスOUTの論理値がLの期間でONし、その論理値がHの期間でオフする。
A boost converter is configured, and an output voltage Vout higher than the input voltage Vin is formed. The drive pulse OUT is supplied to the FET Q1 as the switching element from the
FETQ1がONする期間では、チョークコイルL1およびFETQ1を介して電流が流れる。FETQ1がONする期間に流れる電流のピーク値は、FETQ1のON期間の長さと入力電圧Vinとに比例した値となり、チョークコイルL1のインダクタンス成分に反比例した値となる。次に、FETQ1がオフすると、チョークコイルL1、ダイオードD1およびコンデンサCoを介して電流が流れる。 During the period when the FET Q1 is ON, a current flows through the choke coil L1 and the FET Q1. The peak value of the current flowing during the period when the FET Q1 is ON is a value proportional to the length of the ON period of the FET Q1 and the input voltage Vin, and is a value inversely proportional to the inductance component of the choke coil L1. Next, when the FET Q1 is turned off, a current flows through the choke coil L1, the diode D1, and the capacitor Co.
PFC制御回路1Cは、発振器11と、パルス幅変調(PWM;Pulse Width Modulation)回路12と、ドライブ回路13とを有する。なお、PFC制御回路1Cに過電流に対する保護回路が設けられているが、簡単のため省略する。
The
発振器11は、のこぎり波または三角波(以下の説明では、特に区別しない限りのこぎり波と称する)の出力信号を発生し、発振器11の出力信号と、制御信号FBがPWM変調回路12に供給される。制御信号FBは、例えば出力電圧の変動に対応した電圧値を有する信号である。PWM変調回路12は、制御信号FBに応じて出力信号のパルス幅を変調する。PWM変調回路12の出力パルスがドライブ回路13を介してFETQ1のゲートに供給される。PFC制御回路1Cは、ドライブパルスのデューティ比を変化させることで、出力電圧Voutを安定化する。
The
図8に示すように、発振器11は、コンデンサ21を定電流源22aによって充電する動作と、定電流源22bによって放電する動作とをスイッチング素子23のON/OFFによって交互に行う構成とされている。コンデンサ21の端子電圧が発振器11の出力信号とPWM変調回路12に供給される。PWM変調回路12に対して制御信号FBが供給され、制御信号FBに応じてデューティ比が制御された出力パルスが生成される。
As shown in FIG. 8, the
図9に示すように、発振器11の一例は、充電用の定電流源22aをFET24aおよび24bと、抵抗25とからなるカレントミラー回路により構成される。破線で囲んで示す部分がIC(Integrated Circuit)の構成とされ、コンデンサ21および抵抗25がICの外に形成される。
As shown in FIG. 9, in the
図10Aに示すように、発振器11から出力されるのこぎり波と、制御信号FBとが比較される。制御信号FBよりのこぎり波の値が大となる区間で、図10Bに示すように、Hとなり、制御信号FBよりのこぎり波の値が小となる区間で、図10Bに示すように、LとなるPWM信号が形成される。負荷が重くなると、制御信号FBの値が低下し、PWM信号のデューティが大となり、FETQ1のON期間がより長くなるような制御がなされる。
As shown in FIG. 10A, the sawtooth wave output from the
図11を参照して、この発明の一実施の形態について説明する。発振器11からののこぎり波が電圧比較器31の一方の入力端子に供給される。電圧比較器31の他方の入力端子に対して可変電圧源として表された制御信号FBが供給される。制御信号FBは、例えば出力電圧を抵抗で分圧した信号である。電圧比較器31の出力には、上述したように、PWM変調されたパルス信号が出力される。電圧比較器31によってPWM変調回路12が構成される。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. A sawtooth wave from the
電圧比較器31からのPWM信号がカウンタ32およびスイッチ回路SWの入力端子bに供給される。カウンタ32は、PWM信号の周波数を分周する。カウンタ32の出力信号がスイッチ回路SWの入力端子aに供給される。スイッチ回路SWの出力端子cに取り出されたパルス信号がフリップフロップ33に入力される。フリップフロップ33の出力信号がインバータ34を介してFETQ1のゲートに供給される。
The PWM signal from the
スイッチ回路SWは、周波数切り替え回路であって、電圧比較器35の出力に得られる切り替え信号Pdによって制御される。スイッチング素子としてのFETQ1がONする時に流れる電流が検出される。例えばFETQ1のソースおよび接地間に検出抵抗Rsが挿入される。ソースおよび検出抵抗Rsの接続点から検出電圧Vsが取り出される。検出電圧Vsは、FETQ1がON時に流れる電流IDに比例した値を有する。なお、制御信
号FBを検出電圧として使用することも可能である。さらに、負荷電流を抵抗によって検出電圧に変換しても良い。
The switch circuit SW is a frequency switching circuit and is controlled by a switching signal Pd obtained at the output of the
検出電圧Vsが電圧比較器35の一方の入力端子に対して供給される。電圧比較器35の他方の入力端子に対してしきい値電圧Vthが供給される。検出電圧Vsがしきい値電圧Vthより大きいか、または以上の場合(以下、特に区別を必要としない場合は、単に大きいと記載する)に、一方の論理値であるHの切り替え信号Pdが出力される。検出電圧Vsがしきい値電圧Vth以下か、または未満の場合(以下、特に区別を必要としない場合は、単に以下と記載する)に、他方の論理値であるLの切り替え信号Pdが出力される。電圧比較器35によってFETQ1がONする時に流れる電流を予め設定したしきい値と比較する比較部が構成される。
The detection voltage Vs is supplied to one input terminal of the
スイッチ回路SWは、検出信号PdがLの期間で入力端子aを選択し、カウンタ32の出力信号を出力端子cに出力する。検出信号PdがHの期間で、入力端子bを選択し、カウンタ32を通らないパルス信号(電圧比較器31の出力信号)を出力端子cに出力する。検出信号PdがHとなるのは、FETQ1を流れる電流IDがしきい値電圧Vthに対応
する電流より大きい場合のみである。
The switch circuit SW selects the input terminal a while the detection signal Pd is L, and outputs the output signal of the
図12Aに示す発振器11の出力信号と制御信号FBとから図12Cに示すPWM信号が形成される。スイッチ回路SWの入力端子bが選択される場合には、図12Cに示すパルス信号がフリップフロップ33に供給される。
The PWM signal shown in FIG. 12C is formed from the output signal of the
カウンタ32は、図12Aにおいて、T2およびT4で示される2個の入力をカウントするタイミングでもって、1個の出力を発生し、カウンタ32の出力によってフリップフロップ33がセットまたはリセットされる。例えばタイミングT2でフリップフロップ33がセットされ、タイミングT4でフリップフロップ33がリセットされる。
The
図12Bのパルス信号は、図12Cのパルス信号の周波数の3倍の周波数を有する。したがって、FETQ1のドレイン電流IDが予め設定したしきい値より大きくなると、ド
ライブパルスの周波数が3倍となる。FETQ1のドレイン電流IDが予め設定したしき
い値以下の場合には、より低い周波数のドライブパルス(図12B)が形成される。
The pulse signal in FIG. 12B has a frequency that is three times the frequency of the pulse signal in FIG. 12C. Therefore, when the drain current ID of the FET Q1 becomes larger than a preset threshold value, the frequency of the drive pulse is tripled. When the drain current ID of the FET Q1 is not more than a preset threshold value, a lower frequency drive pulse (FIG. 12B) is formed.
なお、上述した例は、カウンタ32が2回のカウント動作の結果、1回の出力を発生する。カウンタ32が3回のカウント動作の結果、2回の出力を発生するようにしても良い。この場合には、ドライブパルスの周波数が1.67倍となる。さらに、カウンタ32が1/2分周を行う場合には、ドライブパルスの周波数を2倍とすることができる。さらに、カウンタ32の分周比を固定とせずに、ユーザの調整操作によって可変設定することを可能としても良い。
In the example described above, the
上述したこの発明の一実施の形態において、負荷が軽い場合には、図13Aに示すように、電流IDがしきい値電流Ithを超えない。しきい値電流Ithは、しきい値電圧Vthに
対応する電流である。電流IDの波形を拡大して示す図13Bに示すように、周期は、発
振器11の発振周波数に対応するtxである。
In the embodiment of the present invention described above, when the load is light, current ID does not exceed threshold current Ith as shown in FIG. 13A. The threshold current Ith is a current corresponding to the threshold voltage Vth. As shown in FIG. 13B showing the waveform of the current I D in an enlarged manner, the period is tx corresponding to the oscillation frequency of the
一方、負荷が重い場合には、図14Aに示すように、電流IDがしきい値電流Ithを超
える期間が発生する。電流IDがしきい値電流Ithを超えない期間では、図14Bに示す
ように、周期txでそのピーク値がIpp1となる電流IDがFETQ1のドレイン・ソー
ス間を流れる。電流IDがしきい値電流Ith以上となる期間では、ドライブパルスの周波
数が上述したように高くされる。すなわち、図14Cに示すように、周期ty(<tx)でそのピーク値がIpp2(<Ipp1)となる電流IDがFETQ1のドレイン・ソース間
を流れる。
On the other hand, when the load is heavy, as shown in FIG. 14A, a period in which the current ID exceeds the threshold current Ith occurs. In a period in which the current I D does not exceed the threshold current Ith, as shown in FIG. 14B, a current I D whose peak value is Ipp1 flows between the drain and source of the FET Q1 in the period tx. In the period in which the current ID is equal to or higher than the threshold current Ith, the frequency of the drive pulse is increased as described above. That is, as shown in FIG. 14C, the current I D for its peak value at a period ty (<tx) is Ipp2 (<Ipp1) flows between the drain and source of the FET Q1.
このように、負荷が重い場合の電流IDのピーク値を下げることができるので、チョー
クコイルの直流重畳特性に対する要求を緩やかにすることができ、チョークコイルとして小型なものを使用できる。さらに、チョークコイルFETQ1がON状態からOFF状態に遷移するOFF時の損失を減少させることができる。FETQ1がOFF状態からON状態に遷移するON時の損失が増大する。しかしながら、OFF時の損失の減少量がON時の損失の増加量に比して多いので、トータルでは、損失の増加を抑えることができる。この発明の一実施の形態では、電流IDが設定値以上となる一部の期間のみ、スイッチン
グの周波数を高くするので、常時、スイッチングの周波数を高くするのと異なり、トータルのスイッチング損失の増加を防止することができる。
Thus, since the peak value of the current ID when the load is heavy can be lowered, the demand for the DC superimposition characteristics of the choke coil can be moderated, and a small choke coil can be used. Furthermore, it is possible to reduce the loss at the OFF time when the choke coil FETQ1 transitions from the ON state to the OFF state. The loss at the ON time when the FET Q1 changes from the OFF state to the ON state increases. However, since the amount of decrease in loss at OFF is larger than the amount of increase in loss at ON, the increase in loss can be suppressed in total. In one embodiment of the present invention, the switching frequency is increased only during a part of the period when the current ID is equal to or higher than the set value. Therefore, unlike the case where the switching frequency is always increased, the total switching loss is increased. Can be prevented.
以上、この発明の実施形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば上述した説明では、負荷が重くなる場合に、スイッチングの周波数を高くしている。さらに、入力電圧が低下した場合に、スイッチングの周波数を高くするようにしても良い。この場合には、入力電圧を予め設定したしきい値と比較して、入力電圧がしきい値より小さくなるとスイッチングの周波数が高いものに切り替えられる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described concretely, this invention is not limited to the above-mentioned embodiment, The various deformation | transformation based on the technical idea of this invention is possible. For example, in the above description, the switching frequency is increased when the load becomes heavy. Further, when the input voltage decreases, the switching frequency may be increased. In this case, the input voltage is compared with a preset threshold value, and when the input voltage becomes smaller than the threshold value, the switching frequency is switched to a higher one.
カウンタによりドライブパルスOUTの周波数を変化させるのに限らず、発振器を可変周波数発振器の構成とし、スイッチング素子が流れる電流がしきい値以上となることが検出された場合に、発振周波数をより高くするようにしても良い。 Not only the frequency of the drive pulse OUT is changed by the counter, but the oscillator is configured as a variable frequency oscillator, and the oscillation frequency is increased when it is detected that the current flowing through the switching element exceeds the threshold value. You may do it.
Q1・・・FET
BD・・・ブリッジ整流回路
L1・・・チョークコイル
Rs・・・電流検出抵抗
SW・・・スイッチ回路
1C,1B,1C・・・PFC制御回路
11・・・発振器
12・・・PWM変調回路
31,35・・・電圧比較器
32・・・カウンタ
Q1 ... FET
BD: Bridge rectifier circuit L1 ... Choke coil Rs ... Current detection resistor SW ... Switch circuit 1C, 1B, 1C ...
Claims (5)
出力電圧が取り出される第1および第2の出力端子と、
一端が上記第1の入力端子に接続され、他端がダイオードを介して上記第1の出力端子に接続されたチョークコイルと、
上記チョークコイルの上記他端および上記ダイオードの接続点と、上記第2の出力端子との間に接続されたスイッチング素子と、
上記ダイオードおよび上記第1の出力端子の接続点と、上記第2の出力端子との間に接続されたコンデンサと、
上記スイッチング素子がONする時に流れる電流を予め設定したしきい値と比較する比較部と、
発振器と、出力電圧を安定化するために、上記発振器の出力信号から形成されたパルス信号のデューティ比を制御するパルス幅変調回路と、上記パルス幅変調回路からの出力信号が供給され、上記比較部からの比較信号によって出力信号の周波数を切り替える周波数切り替え回路と、上記周波数切り替え回路から上記スイッチング素子をON/OFFさせるパルス信号を出力するPFC制御回路と
を備え、
上記周波数切り替え回路は、上記スイッチング素子がONする時に流れる電流が上記しきい値より大か、または上記しきい値以上の場合に、上記パルス信号の周波数をより高い周波数に切り替える電源装置。 First and second input terminals to which an input voltage is supplied;
First and second output terminals from which output voltages are derived;
A choke coil having one end connected to the first input terminal and the other end connected to the first output terminal via a diode;
A switching element connected between the other end of the choke coil and the connection point of the diode and the second output terminal;
A capacitor connected between a connection point of the diode and the first output terminal and the second output terminal;
A comparator that compares the current that flows when the switching element is turned on with a preset threshold;
In order to stabilize the output voltage of the oscillator, a pulse width modulation circuit for controlling a duty ratio of a pulse signal formed from the output signal of the oscillator, and an output signal from the pulse width modulation circuit are supplied, and the comparison A frequency switching circuit for switching the frequency of the output signal by a comparison signal from the unit, and a PFC control circuit for outputting a pulse signal for turning on / off the switching element from the frequency switching circuit,
The frequency switching circuit is a power supply device that switches the frequency of the pulse signal to a higher frequency when a current that flows when the switching element is turned on is greater than or greater than the threshold value.
上記比較部は、上記FETのドレイン電流を抵抗によって検出電圧に変換し、上記検出電圧をしきい値電圧と比較して上記比較信号を出力する請求項1記載の電源装置。 The switching element is an FET;
2. The power supply device according to claim 1, wherein the comparison unit converts a drain current of the FET into a detection voltage by a resistor, compares the detection voltage with a threshold voltage, and outputs the comparison signal.
上記発振器の出力信号と、上記発振器の出力信号を分周した分周出力との一方が選択回路によって選択され、
上記スイッチング素子がONする時に流れる電流が上記しきい値より大か、または上記しきい値以上の場合以外に、上記分周出力を上記選択回路によって選択する請求項1記載の電源装置。 The oscillation frequency of the oscillator is fixed,
One of the output signal of the oscillator and the divided output obtained by dividing the output signal of the oscillator is selected by a selection circuit,
2. The power supply device according to claim 1, wherein the divided output is selected by the selection circuit except when a current flowing when the switching element is turned on is larger than the threshold value or more than the threshold value.
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