JP2011239539A - Switching power supply device and control method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ハーフブリッジ型のスイッチング素子を共有した力率改善(PFC)部と電流共振(LLC)コンバータ部を備えるAC/DCコンバータにおいて、力率改善部の力率改善動作を確実に行いつつPFC電圧を制御する方式のスイッチング電源装置及びその制御方法に関するものである。 In an AC / DC converter including a power factor correction (PFC) unit and a current resonance (LLC) converter unit that share a half-bridge type switching element, the present invention reliably performs the power factor improvement operation of the power factor improvement unit. The present invention relates to a switching power supply apparatus for controlling a PFC voltage and a control method thereof.
従来、ノートパソコン、液晶テレビ、プラズマテレビ、ゲーム機等のデジタル機器や家庭用娯楽機器用として、力率を改善するためのAC/DCコンバータを備えるスイッチング電源装置が利用されている。この力率改善機能つきAC/DCコンバータは、一般に全波整流ブリッジ、昇圧型の力率改善部およびDC/DCコンバータ部で構成される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a switching power supply device including an AC / DC converter for improving a power factor has been used for digital devices such as notebook computers, liquid crystal televisions, plasma televisions, game machines, and home entertainment devices. This AC / DC converter with a power factor improving function is generally composed of a full-wave rectifier bridge, a step-up type power factor improving unit, and a DC / DC converter unit.
DC/DCコンバータ部としては、フライバックコンバータ、フォワードコンバータ、電流共振(LLC)コンバータなどが挙げられるが、高効率が要求される電源では電流共振コンバータが広く採用されている。 Examples of the DC / DC converter unit include a flyback converter, a forward converter, a current resonance (LLC) converter, and the like, and a current resonance converter is widely used in power supplies that require high efficiency.
図9は、特許文献1の中で開示された、力率改善機能つきスイッチング電源装置を示すもので、全波整流ブリッジ18、力率改善部20、及びハーフブリッジ型の電流共振コンバータ部30で構成されている。
FIG. 9 shows a switching power supply device with a power factor improvement function disclosed in Patent Document 1, and includes a full-
この装置の回路構成において、力率改善部20は、全波整流ブリッジ18と電流共振コンバータ部30の入力側に設けた2つのスイッチング素子31,32との間に、インダクタ21、ダイオード22、スイッチング素子23を含むアクティブフィルタと平滑コンデンサ26とを有する。
In the circuit configuration of this device, the power
また、電流共振コンバータ部30は、スイッチング素子31,32の直列回路の中間点とトランスTの一次巻線との間に直列共振回路(共振コンデンサ33及び共振インダクタ34)が接続され、トランスTの二次巻線に流れる電流を整流ダイオード35,36とコンデンサ37にて、整流かつ平滑することによって所定の出力電圧を得る。
The current
このスイッチング電源装置は、電流共振コンバータ部30の変換効率は高いものの、全波整流ブリッジ18、力率改善部20、及び電流共振コンバータ部30からなる3つの多段回路構成であるため、一般的に総合効率が85〜90%程度に低下する。
Although this switching power supply device has a high conversion efficiency of the current
このような状況の中、本出願人は、図10に示すように、全波整流ブリッジを無くし、かつ力率改善部と電流共振コンバータ部のスイッチング素子を共通化して変換効率を向上させたハーフブリッジ型のスイッチング電源回路を開発した。 In such a situation, as shown in FIG. 10, the present applicant eliminated the full-wave rectification bridge and shared the switching elements of the power factor improvement unit and the current resonance converter unit to improve the conversion efficiency. A bridge type switching power supply circuit was developed.
このスイッチング電源装置は、力率改善(PFC)部2と電流共振コンバータ(LLC)部3から構成されるAC/DCコンバータ回路を有するものである。
力率改善部2は、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2の直列回路に対して第1,第2ダイオードD1,D2を順方向に接続した直列回路を並列接続し、両直列回路の中間点間に昇圧インダクタL1と交流電源Vacが直列に接続されている。また、第1平滑コンデンサCiの正極側が第1,第2ダイオードD1,D2の直列回路のカソード側に、負極側がアノード側にそれぞれ接続されている。
This switching power supply device has an AC / DC converter circuit composed of a power factor correction (PFC)
The power
電流共振コンバータ部3は、力率改善部2の第1,第2スイッチング素子Q1,Q2を共有したハーフブリッジ回路と、このハーフブリッジ回路の後段に、高周波トランスTを挟んで、高周波トランスTの一次側に共振インダクタLrと共振コンデンサCrを含む直列共振回路6と、高周波トランスTの二次側に整流ダイオードD3、D4と第2平滑コンデンサCoを含む整流回路とを有している。
The current
力率改善部2は、交流入力電圧の正の半周期(以後、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2の中間点側が正電圧のときを正の半周期と定義する)では、第2スイッチング素子Q2のオン時に昇圧インダクタL1に蓄積されたエネルギーを、第2スイッチング素子Q2のオフ時に第1平滑コンデンサCiに移送する昇圧回路として動作する。また、交流入力電圧の負の半周期では、第1スイッチング素子Q1のオン時に昇圧インダクタL1に蓄積されたエネルギーを、第1スイッチング素子Q1のオフ時に第1平滑コンデンサCiに移送する昇圧回路として動作する。
The power
電流共振コンバータ部3は、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のハーフブリッジ駆動により、第1平滑コンデンサCiに蓄えられたエネルギーを、共振コンデンサCr、共振インダクタLr、および高周波トランスTで構成される共振回路を介して負荷に供給する。
The current
このスイッチング電源回路では、全波整流ブリッジが無いため、図9で示された特許文献1によるスイッチング電源回路よりも高効率であり、かつ部品点数が少ないため、安価に回路を構成できる。 Since this switching power supply circuit does not have a full-wave rectification bridge, it is more efficient than the switching power supply circuit disclosed in Patent Document 1 shown in FIG.
本出願人が開発した、図10に示すハーフブリッジ型のスイッチング電源装置では、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオンデューティが略50%で固定であるため、スイッチング素子を共有している力率改善部2の制御が難しいという課題があった。
In the half-bridge type switching power supply device shown in FIG. 10 developed by the present applicant, the on-duty of the first and second switching elements Q1 and Q2 is fixed at about 50%, so the switching elements are shared. There was a problem that control of the power
例えば、交流入力電圧の瞬時値とPFC電圧の値が近くなると、第2スイッチング素子Q2のオン期間中に昇圧インダクタL1に蓄えられたエネルギーを第1スイッチング素子Q1のオフ期間中に全て第1平滑コンデンサCiに放出することができなくなり、昇圧インダクタL1が電流連続モードに移行し、過大な電流が流れ、高力率を維持することが難しくなる。 For example, when the instantaneous value of the AC input voltage becomes close to the value of the PFC voltage, the energy stored in the boost inductor L1 during the ON period of the second switching element Q2 is all first smoothed during the OFF period of the first switching element Q1. The capacitor Ci cannot be discharged, the boost inductor L1 shifts to the current continuous mode, an excessive current flows, and it becomes difficult to maintain a high power factor.
さらに、軽負荷時でもスイッチング素子のオンデューティを狭くできないため、力率改善部2のPFC電圧が過剰に上昇し、電解コンデンサやスイッチング素子が破壊する恐れがある。
Furthermore, since the on-duty of the switching element cannot be reduced even at a light load, the PFC voltage of the power
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、オンデューティが固定のハーフブリッジ回路において力率改善部のPFC電圧を制御しつつ、確実かつ安定した力率改善動作を行えるスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its object is to control a PFC voltage of a power factor improvement unit in a half-bridge circuit with a fixed on-duty while ensuring a stable and stable power factor. It is an object of the present invention to provide a switching power supply device capable of improving operation and a control method thereof.
上記目的を解決するために、本発明は、第1、第2スイッチング素子の直列回路に対して第1、第2ダイオードが順方向に接続された直列回路が並列に接続され、両直列回路の中間点間に昇圧インダクタと交流電源が直列に接続され、第1平滑コンデンサの正極側が前記第1、第2ダイオードの直列回路のカソード側に、負極側がアノード側にそれぞれ接続され、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作により、昇圧インダクタを介して、前記交流電源からの交流入力電圧を、力率を改善しつつ昇圧して前記第1平滑コンデンサに直流のPFC電圧(VPFC)を出力する力率改善(PFC)部と、前記第1、第2スイッチング素子を共通としたハーフブリッジ回路と、高周波トランスと、前記ハーフブリッジ回路と前記高周波トランスの一次巻線との間に備えられた共振インダクタと共振コンデンサとを含む共振回路と、前記高周波トランスの二次巻線と負荷部の間に備えられた整流ダイオードと第2平滑コンデンサを含む整流平滑回路とを含み、前記共振回路と前記高周波トランスとによる共振動作によって前記第1、第2スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行うとともに、前記PFC電圧を入力電圧として、前記高周波トランスを介して、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作によって得られる一次側の高周波電圧を二次側の前記整流平滑回路で整流平滑して得られる直流の出力電圧を前記負荷部に供給する電流共振コンバータ部と、を備えたスイッチング電源装置において、前記PFC電圧を検出するPFC電圧検出部と、第1基準電圧を発生する第1基準電圧発生部と、前記PFC電圧と前記第1基準電圧との差を増幅して出力する第1誤差増幅器と、前記第1誤差増幅器からの出力信号に基づき、前記第1、第2スイッチング素子をオン/オフ制御するための駆動信号を出力するスイッチング制御部とを含み、前記第1基準電圧発生部からの出力信号を前記交流入力電圧の実効値の少なくとも2√2倍に相当する電圧値に設定して、前記PFC電圧と前記交流入力電圧の実効値(Vac-in)が、
VPFC>2√2Vac-in
の関係を満足するように、前記第1、第2スイッチング素子を制御することを特徴としている。
In order to solve the above object, according to the present invention, a series circuit in which first and second diodes are connected in a forward direction is connected in parallel to a series circuit of first and second switching elements. A step-up inductor and an AC power source are connected in series between the intermediate points, the positive side of the first smoothing capacitor is connected to the cathode side of the series circuit of the first and second diodes, and the negative side is connected to the anode side, respectively. By the on / off operation of the second switching element, the AC input voltage from the AC power source is boosted through a boost inductor while improving the power factor, and a DC PFC voltage (V PFC ) is applied to the first smoothing capacitor. Power factor correction (PFC) unit that outputs the power, a half bridge circuit that shares the first and second switching elements, a high frequency transformer, the half bridge circuit, and the high frequency A resonance circuit including a resonance inductor and a resonance capacitor provided between the primary winding of the lance, and a rectifier diode and a second smoothing capacitor provided between the secondary winding and the load portion of the high-frequency transformer. A rectifying and smoothing circuit, and performing a soft switching operation of the first and second switching elements by a resonance operation by the resonance circuit and the high-frequency transformer, and using the PFC voltage as an input voltage via the high-frequency transformer, Current resonance for supplying a DC output voltage obtained by rectifying and smoothing a primary high-frequency voltage obtained by the on / off operation of the first and second switching elements to the load unit by the rectifying and smoothing circuit on the secondary side A switching power supply comprising: a converter unit; a PFC voltage detection unit that detects the PFC voltage; and a first reference voltage Based on an output signal from the first error amplifier, a first error amplifier that amplifies and outputs a difference between the PFC voltage and the first reference voltage A switching control unit that outputs a drive signal for on / off control of the second switching element, and the output signal from the first reference voltage generation unit is at least 2√2 times the effective value of the AC input voltage The effective value (V ac-in ) of the PFC voltage and the AC input voltage is set to a voltage value corresponding to
V PFC > 2√2V ac-in
The first and second switching elements are controlled so as to satisfy the relationship.
また、本発明の好ましい実施形態では、前記整流平滑回路から出力される前記出力電圧を検出する出力電圧検出部と、第2基準電圧を発生する第2基準電圧発生部と、前記出力電圧と前記第2基準電圧との差を増幅して出力する第2誤差増幅器とをさらに含み、前記スイッチング制御部は、前記第1誤差増幅器と第2誤差増幅器からのそれぞれの出力信号に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子を制御して前記出力電圧を定電圧制御することを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the present invention, an output voltage detector that detects the output voltage output from the rectifying and smoothing circuit, a second reference voltage generator that generates a second reference voltage, the output voltage, and the A second error amplifier that amplifies and outputs a difference from the second reference voltage, and the switching control unit is configured to output the first error amplifier based on output signals from the first error amplifier and the second error amplifier. The output voltage is controlled at a constant voltage by controlling the second switching element.
また、前記スイッチング制御部は前記高周波トランスの二次側に設置されるとともに、前記第1誤差増幅器の出力信号を、第1絶縁手段を介して、二次側の前記スイッチング制御部に伝達するとともに、前記スイッチング制御部から出力される前記駆動信号を、第2絶縁手段を介して、前記第1、第2スイッチング素子に伝達することを特徴とする。 The switching control unit is installed on the secondary side of the high-frequency transformer, and transmits the output signal of the first error amplifier to the switching control unit on the secondary side via the first insulating means. The drive signal output from the switching control unit is transmitted to the first and second switching elements through the second insulating means.
また、前記スイッチング制御部は前記高周波トランスの一次側に設置されるとともに、前記第2誤差増幅器の出力信号を、第3絶縁手段を介して一次側の前記スイッチング制御部に伝達することを特徴としている。また、前記第1、第2、第3絶縁手段は、フォトカプラまたは絶縁トランスであることを特徴とする。 The switching control unit is installed on a primary side of the high-frequency transformer, and transmits an output signal of the second error amplifier to the switching control unit on the primary side through a third insulating unit. Yes. Further, the first, second and third insulating means are photocouplers or insulating transformers.
また、前記共振インダクタを、前記高周波トランスの漏れインダクタンスで代替することを特徴とする。 The resonant inductor may be replaced with a leakage inductance of the high frequency transformer.
さらに、本発明のスイッチング電源装置の制御方法は、第1、第2スイッチング素子の直列回路に対して、第1、第2ダイオードが順方向に接続された直列回路が並列に接続され、両直列回路の中間点間に昇圧インダクタと交流電源が直列に接続され、第1平滑コンデンサの正極側が前記第1、第2ダイオードの直列回路のカソード側に、負極側がアノード側にそれぞれ接続され、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作により、前記昇圧インダクタを介して、前記交流電源からの交流入力電圧を、力率を改善しつつ昇圧して前記第1平滑コンデンサに直流のPFC電圧(VPFC)を出力する力率改善(PFC)部と、前記第1、第2スイッチング素子を共通としたハーフブリッジ回路と、高周波トランスと、前記ハーフブリッジ回路と前記高周波トランスの一次巻線との間に備えられた共振インダクタと共振コンデンサとを含む共振回路と、前記高周波トランスの二次巻線と負荷部の間に備えられた整流ダイオードと第2平滑コンデンサを含む整流平滑回路とを含み、前記共振回路と前記高周波トランスとによる共振動作によって前記第1、第2スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行うとともに、前記PFC電圧を入力電圧として、前記高周波トランスを介して、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作によって得られる一次側の高周波電圧を二次側の前記整流平滑回路で整流平滑して得られる直流の出力電圧を前記負荷部に供給する電流共振コンバータ部と、を備えたスイッチング電源装置の前記PFC電圧の制御方法であって、前記PFC電圧と前記交流入力電圧の実効値(Vac-in)が、
VPFC>2√2Vac-in
の関係を満足するように制御されることを特徴としている。
Further, according to the control method of the switching power supply device of the present invention, the series circuit in which the first and second diodes are connected in the forward direction is connected in parallel to the series circuit of the first and second switching elements. A step-up inductor and an AC power source are connected in series between the intermediate points of the circuit, the positive side of the first smoothing capacitor is connected to the cathode side of the series circuit of the first and second diodes, and the negative side is connected to the anode side. 1. By turning on / off the second switching element, the AC input voltage from the AC power source is boosted through the boost inductor while improving the power factor, and a DC PFC voltage ( and power factor (PFC) unit that outputs a V PFC), and the first half-bridge circuit and the second switching element and a common, and high frequency transformer, said Hafuburi A resonant circuit including a resonant inductor and a resonant capacitor provided between a first circuit and a primary winding of the high-frequency transformer, a rectifier diode provided between a secondary winding of the high-frequency transformer and a load unit, and a first A rectifying / smoothing circuit including two smoothing capacitors, and performing a soft switching operation of the first and second switching elements by a resonance operation by the resonance circuit and the high-frequency transformer, and using the PFC voltage as an input voltage, A DC output voltage obtained by rectifying and smoothing the primary high-frequency voltage obtained by the on / off operation of the first and second switching elements through the transformer by the rectifying and smoothing circuit on the secondary side is supplied to the load unit. A method for controlling the PFC voltage of a switching power supply device comprising: The effective value (Vac-in) of the voltage and the AC input voltage is
V PFC > 2√2Vac-in
It is characterized by being controlled so as to satisfy the relationship.
また、本発明のスイッチング電源装置の制御方法は、前記PFC電圧を検出する工程と、前記交流入力電圧の実効値の少なくとも2√2倍に相当する第1基準電圧を発生する工程と、前記PFC電圧と前記第1基準電圧を比較して両者の差を増幅した第1誤差増幅信号を出力する工程と、前記第1誤差増幅信号に基づいて、前記第1、第2スイッチング素子をオン/オフ制御する工程とを含んでいることを特徴とする。 According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a switching power supply apparatus comprising: detecting the PFC voltage; generating a first reference voltage corresponding to at least 2√2 times an effective value of the AC input voltage; Comparing a voltage with the first reference voltage and outputting a first error amplification signal obtained by amplifying the difference between the two and turning on / off the first and second switching elements based on the first error amplification signal And a step of controlling.
さらに、好ましい実施形態では、前記整流平滑回路から出力される前記出力電圧を検出する工程と、所定の第2基準電圧を発生する工程と、前記出力電圧と前記第2基準電圧を比較して両者の差を増幅した第2誤差増幅信号を出力する工程と、前記第1、第2誤差増幅信号に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子をオン/オフ制御する工程とを含んでいることを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment, the step of detecting the output voltage output from the rectifying and smoothing circuit, the step of generating a predetermined second reference voltage, and comparing the output voltage with the second reference voltage And a step of outputting a second error amplification signal obtained by amplifying the difference between the first and second switching elements based on the first and second error amplification signals. It is characterized by.
そして、前記第1誤差増幅信号の出力結果に応じて、前記第1、第2スイッチング素子のスイッチング休止期間を設けて前記PFC電圧を制御し、かつ前記第2誤差増幅信号の出力結果に応じて前記第1、第2スイッチング素子のスイッチング周波数を変化させることによって前記電流共振コンバータ部の前記出力電圧を制御することを特徴とする。 According to the output result of the first error amplification signal, the PFC voltage is controlled by providing a switching pause period of the first and second switching elements, and according to the output result of the second error amplification signal. The output voltage of the current resonance converter unit is controlled by changing a switching frequency of the first and second switching elements.
また、本発明のスイッチング電源装置の上記制御方法において、第1、第2スイッチング素子の一方のスイッチング休止期間直後のオンデューティを所定のオンデューティの略2分の1のハーフパルスとし、かつ第1、第2スイッチング素子の他方のスイッチング休止期間直前のオンデューティを所定のオンデューティの略2分の1のハーフパルスとすることを特徴とする。 Further, in the above control method of the switching power supply device of the present invention, the on-duty immediately after one of the switching pause periods of the first and second switching elements is set to a half pulse that is approximately a half of the predetermined on-duty, and the first The on-duty immediately before the other switching pause period of the second switching element is a half pulse that is approximately one half of the predetermined on-duty.
本発明に係るスイッチング電源装置は、ハーフブリッジ型のスイッチング素子を共有して力率改善部と電流共振コンバータ部とを組み合わせたスイッチング電源装置において、PFC電圧VPFCを2√2Vac-in(ここで、Vac-inは、交流入力電圧の実効値)以上に制御している。これにより、スイッチング電源装置の力率改善動作を確実に行い、高力率を維持できる。 The switching power supply according to the present invention is a switching power supply in which a half-bridge type switching element is shared and a power factor correction unit and a current resonance converter unit are combined, and the PFC voltage V PFC is 2√2Vac-in (where Vac-in is controlled to be equal to or greater than the effective value of the AC input voltage. As a result, the power factor improving operation of the switching power supply device can be reliably performed and the high power factor can be maintained.
また、本発明では、力率改善部のPFC電圧はスイッチングの休止期間を変えることにより、電流共振コンバータ部からの出力電圧はスイッチング周波数を変化させることにより、両者を独立に制御している。これにより、高力率を維持しつつ、負荷部に所定の出力電圧を確実に供給することができる。 Further, in the present invention, the PFC voltage of the power factor correction unit is controlled independently by changing the switching rest period, and the output voltage from the current resonance converter unit is controlled by changing the switching frequency. Thereby, a predetermined output voltage can be reliably supplied to the load section while maintaining a high power factor.
さらに、本発明におけるスイッチング素子の制御方法によれば、高周波トランスの寸法を小さく抑えることができ、安価なスイッチング電源装置を提供できる。 Furthermore, according to the switching element control method of the present invention, the size of the high-frequency transformer can be kept small, and an inexpensive switching power supply device can be provided.
以下に、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係るスイッチング電源装置1の基本構成を示している。
なお、図1および以下の説明において、上記従来技術で説明した構成と共通する構成要素には、同一符号を付している。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a basic configuration of a switching power supply device 1 according to the first embodiment of the present invention.
In FIG. 1 and the following description, the same reference numerals are given to components common to the configurations described in the prior art.
力率改善部2は、第1,第2ダイオードD1,D2の直列回路と第1,第2スイッチング素子Q1,Q2の直列回路とが並列接続され、両直列回路の中間点間に昇圧インダクタL1と交流電源Vacが直列に接続されており、さらに、第1,第2ダイオードD1,D2の直列回路の両端に第1平滑コンデンサCiが並列接続されている。
In the power
電流共振コンバータ部3は、力率改善部2の第1,第2スイッチング素子Q1,Q2を共有したハーフブリッジ回路と、このハーフブリッジ回路の中間点と高周波トランスTの一次巻線の一端の間に接続される共振インダクタLrと共振コンデンサCrの直列共振回路とを有し、高周波トランスTの他端は第1平滑コンデンサCiの負極側に接続されている。また、高周波トランスTの二次側に整流ダイオードD3,D4と第2平滑コンデンサCoを含む整流回路を有している。
The current
力率改善部2は、交流電源Vacの第1,第2スイッチング素子Q1,Q2との中間点側が正の半周期の場合、第2スイッチング素子Q2がオンのときに昇圧インダクタL1にエネルギーを蓄え、第1スイッチング素子Q1がオンのときに昇圧インダクタL1にたまったエネルギーを第1平滑コンデンサCiに昇圧しつつ蓄積する。同様に、交流電源Vacが負の半周期の場合、第1スイッチング素子Q1がオンのときに昇圧インダクタL1にエネルギーを蓄え、第2スイッチング素子Q2がオンのときに昇圧インダクタL1にたまったエネルギーを第1平滑コンデンサCiに昇圧しつつ蓄積する。
The power
また、電流共振コンバータ部3は、ハーフブリッジ型の第1,第2スイッチング素子Q1,Q2と、高周波トランスTの一次側の共振コンデンサCrと共振インダクタLrとの共振動作によってソフトスイッチング動作を行っている。第1,第2スイッチング素子Q1,Q2はスイッチング制御部7により制御され、交互にオン/オフ動作する。このオン/オフ動作に基づいて発生する交流の高周波電圧が高周波トランスTの一次巻線の両端に印加され、高周波トランスTの二次巻線に流れる電流を整流ダイオードD3、D4と第2平滑コンデンサCoにて、整流かつ平滑することによって所定の出力電圧を得ることができる。
The current
なお、図1で、高周波トランスTの他端は第1平滑コンデンサCiの負極側に接続されているが、正極側への接続に変更することもできる。
また、共振コンデンサをコンデンサCr1とコンデンサCr2の直列回路とし、この直列回路を第1,第2スイッチング素子Q1,Q2の直列回路に並列接続し、両直列回路の中間点間に共振インダクタLrと高周波トランスTの一次巻線を直列に接続する構成に変更することもできる。
その他、同様のハーフブリッジ回路の変形回路に対しても本発明は適用可能である。
In FIG. 1, the other end of the high-frequency transformer T is connected to the negative electrode side of the first smoothing capacitor Ci, but can be changed to a connection to the positive electrode side.
The resonance capacitor is a series circuit of a capacitor Cr1 and a capacitor Cr2, and this series circuit is connected in parallel to the series circuit of the first and second switching elements Q1 and Q2, and the resonance inductor Lr and the high frequency are connected between the intermediate points of both series circuits. It is also possible to change to a configuration in which the primary winding of the transformer T is connected in series.
In addition, the present invention can be applied to a modified circuit of a similar half-bridge circuit.
本発明では、図1に示すように、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2を制御するために、第1平滑コンデンサCiに蓄えられた力率改善部2のPFC電圧(VPFC)を検出するPFC電圧検出部4と、PFC電圧を所定の電圧値に制御するための基準電圧を発生する第1基準電圧発生部5と、PFC電圧VPFCと第1基準電圧との差を増幅して出力する第1誤差増幅器6とをさらに含み、スイッチング制御部7は、この第1誤差増幅器6の出力信号に基づいて第1,第2スイッチング素子Q1,Q2をオン/オフ制御する。
In the present invention, as shown in FIG. 1, in order to control the first and second switching elements Q1 and Q2, the PFC voltage (V PFC ) of the power
ここで、交流電源Vacからの交流入力電圧の実効値をVac-inとするとき、第1基準電圧発生部5は、PFC電圧VPFCを2√2Vac-in以上とするために、少なくとも2√2Vac-in以上に相当する基準電圧値に設定される。尚、ここで、「相当する」とは、検出されるPFC電圧値が実際のPFC電圧の分圧値として検出される場合も含んでおり、この場合、実際の基準電圧値は2√2Vac-inに分圧比を乗算した値となる。
Here, when the effective value of the AC input voltage from the AC power supply Vac is Vac-in, the first
上述のように、PFC電圧VPFCを2√2Vac-in以上に制御することの効果を、以下により詳細に説明する。 As described above, the effect of controlling the PFC voltage V PFC to 2√2 Vac-in or more will be described in more detail below.
このスイッチング電源装置1では、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2は電流共振コンバータ部3のハーフブリッジ回路を構成している。従って、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオンデューティは略50%で固定になる。一方、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2は力率改善部2のスイッチング素子としての役割も兼ねているため、これに伴って力率改善部2のスイッチング素子のオンデューティも略50%で固定になる。
In this switching power supply device 1, the first and second switching elements Q 1,
一方、一般的な力率改善回路である連続モードPFCや臨界モードPFCでは、いずれの場合もオンデューティを交流電源Vacの位相角に応じて変化させることによって(前者ではオン幅の変化により、後者ではスイッチング周波数の変化により)、力率改善動作を実現している。例えば連続モードPFCでは、交流電源Vacの位相角が0°付近のとき(交流入力電圧の瞬時値が小さいとき)にはオン幅を大きく、位相角が90°付近(交流入力電圧の瞬時値が大きいとき)ではオン幅が小さくなるように制御して、交流電源Vacからの電流が交流入力電圧の瞬時値に略比例するようにして、力率改善動作を実現している。 On the other hand, in the continuous mode PFC and the critical mode PFC, which are general power factor correction circuits, the on-duty is changed in accordance with the phase angle of the AC power supply Vac in both cases (the former is caused by the change in the ON width and the latter In this case, the power factor correction operation is realized by changing the switching frequency. For example, in continuous mode PFC, when the phase angle of the AC power supply Vac is around 0 ° (when the instantaneous value of the AC input voltage is small), the ON width is large, and the phase angle is around 90 ° (the instantaneous value of the AC input voltage is When it is large), the on-width is controlled to be small so that the current from the AC power supply Vac is substantially proportional to the instantaneous value of the AC input voltage, thereby realizing the power factor improving operation.
しかし、本発明では、上述のとおりオンデューティが略50%固定であるため、昇圧インダクタL1を連続モードで動作させた場合、上記連続モードPFCのようにオン幅を変化させることによる力率改善動作ができない。従って、本発明のような力率改善部2と電流共振コンバータ部3のスイッチング素子を共有したスイッチング電源装置1では、常に昇圧インダクタL1を不連続モードで動作させる必要がある。もし、連続モードでの動作を行うと、急激に昇圧インダクタL1に流れるチョーク電流が増加し、力率の悪化やチョークコアの飽和につながるため、好ましくない。
従って、本発明では、この不具合を生じないように不連続モードで制御を行う必要がある。
However, in the present invention, since the on-duty is fixed at about 50% as described above, when the boost inductor L1 is operated in the continuous mode, the power factor improving operation by changing the ON width as in the continuous mode PFC. I can't. Therefore, in the switching power supply device 1 sharing the switching elements of the power
Therefore, in the present invention, it is necessary to perform control in the discontinuous mode so as not to cause this problem.
さらに、本発明のスイッチング電源装置1において、昇圧インダクタL1を不連続モードで動作させるための条件を説明する。図2に、本発明のスイッチング電源装置1における第1,第2スイッチング素子Q1,Q2の動作を簡略化して説明する。
図2の昇圧コンバータは、入力電圧Vin(交流入力電圧の瞬時値に相当)で、昇圧インダクタL1に流れるインダクタ電流iは、昇圧インダクタL1に印加される電圧をVL、電圧が印加されている時間をtとすると、
i =(VL/L1)・t
である。従って、第2スイッチング素子Q2がオン動作時のインダクタのピーク電流ip は、第2スイッチング素子Q2のオン時間をTonとすると、
ip =(Vin/L1)・Ton
となり、また、第2スイッチング素子Q2のオフ時間をToffとすると、
ip =[(VPFC―Vin)/L1]・Toff
となる。
そして、不連続モードで動作させるためには、第2スイッチング素子Q2のオフ期間中にインダクタ電流iが0Aまで低下する必要がある。
Furthermore, conditions for operating the boost inductor L1 in the discontinuous mode in the switching power supply device 1 of the present invention will be described. FIG. 2 shows a simplified operation of the first and second switching elements Q1 and Q2 in the switching power supply device 1 of the present invention.
The boost converter of FIG. 2 has an input voltage Vin (corresponding to an instantaneous value of an AC input voltage), and an inductor current i flowing through the boost inductor L1 is a voltage applied to the boost inductor L1, VL , and a voltage is applied. If time is t,
i = (V L / L1) · t
It is. Therefore, the peak current ip of the inductor when the second switching element Q2 is in the on operation is represented by Ton as the on-time of the second switching element Q2.
ip = (Vin / L1) · Ton
Also, if the off time of the second switching element Q2 is Toff,
ip = [(V PFC −Vin) / L1] · Toff
It becomes.
In order to operate in the discontinuous mode, the inductor current i needs to be reduced to 0 A during the OFF period of the second switching element Q2.
即ち、この条件は、
(VPFC―Vin)・Toff>Vin・Ton
であり、オンデューティは略50%で固定であるため、Toff=Tonであることから、
(VPFC―Vin)>Vin
となる。従って、常にVPFC>2Vin とすれば、不連続モードでの動作が可能になる。
That is, this condition is
(V PFC -Vin) ・ Toff> Vin ・ Ton
Since the on-duty is fixed at about 50%, Toff = Ton.
(V PFC -Vin)> Vin
It becomes. Therefore, if V PFC > 2Vin is always set, the operation in the discontinuous mode becomes possible.
この条件が一番厳しい所は、交流入力電圧の瞬時値Vinが最大のときであり、交流入力電圧の実効値をVac_inとすれば、√2Vac_inになる。従って、
VPFC>2√2Vac_in
の関係式を満たすPFC電圧VPFCを設定すれば、不連続モードでの動作が可能になる。
This condition is most severe when the instantaneous value Vin of the AC input voltage is the maximum. If the effective value of the AC input voltage is Vac_in, it becomes √2Vac_in. Therefore,
V PFC > 2√2Vac_in
If the PFC voltage V PFC satisfying the relational expression is set, the operation in the discontinuous mode becomes possible.
以上のように、本発明によってVPFC>2√2Vac_inを満たすようにPFC電圧を制御することによって、力率改善部2と電流共振コンバータ部3でスイッチング素子を共有したスイッチング電源装置1において、昇圧インダクタL1を不連続モードで動作させることが可能になる。このことにより、交流電源Vacから出力される電流を、交流入力電圧に略比例した電流値にすることができ、高力率での力率改善動作を実現できる。
As described above, according to the present invention, by controlling the PFC voltage so as to satisfy V PFC > 2√2Vac_in, in the switching power supply device 1 in which the power
また、図3は、本発明の第2実施形態に係わるスイッチング電源装置1aの構成を示しており、図1で示したスイッチング電源装置1に加え、電流共振コンバータ部3の整流平滑回路を介して負荷部に出力される出力電圧を検出する出力電圧検出部8と、出力電圧を所定の電圧値に設定するための第2基準電圧発生部9と、この両者からの出力信号の差を増幅して出力する第2誤差増幅器10とで構成され、スイッチング制御部7は、第1誤差増幅器6および第2誤差増幅器10からの出力信号に基づき、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオン/オフ制御を行う。
FIG. 3 shows the configuration of the switching
以上の構成にしたことにより、力率改善部2のPFC電圧と、電流共振コンバータ部3の出力電圧を同時に制御することが可能となり、高力率を維持しつつ、負荷部に所定の出力電圧を供給することができる。
With the above configuration, the PFC voltage of the power
また、図4は、本発明の第3実施形態に係わるスイッチング電源装置1bの構成を示している。
パソコン用およびTV用などのスイッチング電源装置では、一般に安全のために一次側回路と二次側回路の間に絶縁手段が設けられる。従って、図4のようにスイッチング制御部7が高周波トランスTを挟んで二次側に配置されている場合には、一次側の第1誤差増幅器6からの出力信号は第1絶縁手段11を介して二次側のスイッチング制御部7に伝達される。さらに、スイッチング制御部7から出力されるスイッチング素子の駆動信号は、第2絶縁手段12を介して一次側の第1,第2スイッチング素子Q1,Q2に伝達される。
FIG. 4 shows the configuration of a switching
In switching power supplies for personal computers and TVs, an insulating means is generally provided between a primary side circuit and a secondary side circuit for safety. Therefore, when the switching
また、図5は、本発明の第4実施形態に係るスイッチング電源装置1cの構成を示している。この場合、スイッチング制御部7が一次側に配置されており、二次側の第2誤差増幅器10からの出力信号は、第3絶縁手段13を介して一次側のスイッチング制御部7に伝達される。
FIG. 5 shows the configuration of a switching
なお、上述の第1、第2、第3絶縁手段は、フォトカプラまたは絶縁トランスで構成されるのが好適である。 The first, second, and third insulating means described above are preferably composed of a photocoupler or an insulating transformer.
以上、第3実施形態、第4実施形態のように、絶縁手段(第1、第2、第3絶縁手段)を設けることにより、安全なスイッチング電源装置を提供できる。 As described above, by providing the insulating means (first, second, and third insulating means) as in the third and fourth embodiments, a safe switching power supply device can be provided.
なお、以上の説明における共振インダクタLrは、高周波トランスTの漏れインダクタンスで代替することも可能である。 The resonant inductor Lr in the above description can be replaced with a leakage inductance of the high-frequency transformer T.
また、以上の説明における第1、第2基準電圧発生部、第1、第2誤差増幅器、スイッチング制御部は、これらの機能の全てまたは一部をマイコン内部に取り込み、これらの機能をマイコン内部での演算によって代替することも可能である。 Further, the first and second reference voltage generators, the first and second error amplifiers, and the switching control unit in the above description incorporate all or part of these functions into the microcomputer, and these functions are stored in the microcomputer. It is also possible to substitute by the above operation.
次に、本発明の上記制御方法について、そのステップを以下で説明する。
本発明の第1実施形態に係るスイッチング電源装置の制御方法は、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のハーフブリッジ回路に並列接続された第1平滑コンデンサCiに蓄えられた力率改善部2のPFC電圧を検出する工程と、交流入力電圧の実効値Vac-inの少なくとも2√2倍に相当する第1基準電圧を発生する工程と、検出されたPFC電圧値と第1基準電圧とを比較して両者の差を増幅した第1誤差増幅信号を出力する工程と、この出力信号に基づいて、スイッチング制御部7から制御信号を出力して、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオン/オフを制御する工程とを含んでいる。
Next, steps of the control method of the present invention will be described below.
The control method of the switching power supply according to the first embodiment of the present invention includes a power
これらの各工程を順次行うことにより、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2は、PFC電圧VPFCが交流入力電圧の実効値の2√2倍以上の電圧値になるようにオン/オフ制御されるため、力率改善部2の昇圧インダクタL1を常に電流不連続モードで動作させることができる。
もし、PFC電圧VPFCが2√2Vac-inよりも低く設定されていると、昇圧インダクタL1が電流連続モードに移行し、交流入力電流波形がひずむため、力率が悪化する。しかし、本発明によって、PFC電圧VPFCを2√2Vac-in以上に保持できるので、高力率を実現できる。
By performing these steps in sequence, first and second switching elements Q1, Q2 is turned on / off control as PFC voltage V PFC is the voltage value of more than 2√2 times the rms value of the AC input voltage Therefore, the boost inductor L1 of the power
If the PFC voltage V PFC is set lower than 2√2Vac-in, the boost inductor L1 shifts to the current continuous mode, and the AC input current waveform is distorted, so that the power factor is deteriorated. However, according to the present invention, since the PFC voltage V PFC can be maintained at 2√2 Vac-in or higher, a high power factor can be realized.
さらに、本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源装置の制御方法では、電流共振コンバータ部3の出力電圧を検出する工程と、所定の第2基準電圧を発生する工程と、検出された出力電圧値と第2基準電圧を比較して両者の差を増幅した第2誤差増幅信号を出力する工程と、スイッチング制御部が、第1、第2誤差増幅器からの出力信号に基づいて第1,第2スイッチング素子Q1,Q2を制御する工程とを含んでいる。
Furthermore, in the control method for the switching power supply device according to the second embodiment of the present invention, the step of detecting the output voltage of the current
これらの各工程を順次行うことにより、力率改善部2のPFC電圧VPFCおよび電流共振コンバータ部3の出力電圧Voをそれぞれ独立に制御することができる。
By sequentially performing these steps, the PFC voltage V PFC of the power
以上の制御方法は、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2を共有して、力率改善部2と電流共振コンバータ部3を組み合わせたハーフブリッジ型のスイッチング電源装置1,1a及び絶縁手段(第1、第2、第3絶縁手段)を設けたスイッチング電源装置1b,1cにおいて、実施されるものである。
In the above control method, the first and second switching elements Q1 and Q2 are shared, and the half-bridge type switching
さらに、力率改善部2のPFC電圧VPFCおよび電流共振コンバータ部3の出力電圧Voをそれぞれ独立に制御するための、より好適な工程を、図6を用いて以下に説明する。
Furthermore, a more preferable process for independently controlling the PFC voltage VPFC of the power
図6(a)は、力率改善部2のPFC電圧VPFCおよび電流共振コンバータ部3の出力電圧Voを制御するための制御ブロック図を示している。ただし、説明上、図6では力率改善部2と電流共振コンバータ部3を分離したブロック図で記述しているが、実際は第1,第2スイッチング素子Q1,Q2は両者で共通である。
FIG. 6A shows a control block diagram for controlling the PFC voltage VPFC of the power
即ち、交流電源Vacからの交流入力電圧が力率改善部2に入力され、力率改善部2から出力されるPFC電圧VPFCを電流共振コンバータ部3に供給すると共に、PFC電圧と第1基準電圧との差を増幅して出力し、その出力信号に基づいて、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のスイッチングを休止する期間を変化させる。さらに、電流共振コンバータ部3の出力電圧Voと第2基準電圧の差を増幅して出力し、その出力信号に基づいて第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数を変化させる。
That is, an AC input voltage from the AC power source Vac is input to the power
次に、上記の制御方法の効果を説明する。まず、電流共振コンバータ部3の出力電圧Voの制御については、一般的な電流共振コンバータと同じく、スイッチング周波数を変化させることによって、出力電圧Voを変化させることができる。従って、図6のように、所定の第2基準電圧と出力電圧Voとの誤差増幅信号(第2誤差増幅信号)に基づいてスイッチング周波数を変調すれば、出力電圧Voを第2基準電圧値で決まる所定の電圧値に制御できる。
Next, the effect of the above control method will be described. First, regarding the control of the output voltage Vo of the current
一方、PFC電圧VPFCの制御に関しては、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオンデューティが略50%で固定のため、オンデューティの変化によって制御することができない。そこで、図6(b)に示すように、スイッチングの休止期間を設けることによって、PFC電圧VPFCを制御する。 On the other hand, regarding the control of the PFC voltage V PFC , the on-duty of the first and second switching elements Q1, Q2 is fixed at about 50%, and therefore cannot be controlled by the change of the on-duty. Therefore, as shown in FIG. 6B, the PFC voltage V PFC is controlled by providing a switching pause period.
例えば、図6(b)に示すように、(1)全負荷の場合、第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のオンデューティは、略50%で一定であり、休止期間はなく、常にオン/オフ動作を維持している。 For example, as shown in FIG. 6B, (1) in the case of full load, the on-duty of the first and second switching elements Q1, Q2 is constant at about 50%, there is no idle period, and the on-duty is always on. / Off operation is maintained.
しかし、(2)負荷が軽くなった場合、スイッチングの休止期間がないとPFC電圧VPFCは上昇する。この電圧上昇によって第1誤差増幅器6の出力信号が変化するため、この誤差増幅信号(第1誤差増幅信号)に基づいてスイッチングの休止期間の割合を、PFC電圧VPFCが一定になるように変化させる。
However, (2) when the load is lightened, the PFC voltage V PFC increases without a switching pause period. Since the output signal of the
(3)更に負荷が軽くなったとき、更にスイッチング休止期間の割合を増やして、PFC電圧VPFCを一定に保つようにする。 (3) When the load is further reduced, the ratio of the switching pause period is further increased to keep the PFC voltage V PFC constant.
以上のように、PFC電圧VPFCと第1基準電圧との誤差増幅信号(第1誤差増幅信号)に基づいて第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング休止期間を設けることによって、PFC電圧を制御し、一方、出力電圧Voと第2基準電圧との誤差増幅信号(第2誤差増幅信号)に基づいて第1,第2スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数を変化させることで出力電圧を制御することができる。 As described above, by providing the switching pause periods of the first and second switching elements Q1 and Q2 based on the error amplification signal (first error amplification signal) between the PFC voltage V PFC and the first reference voltage, the PFC voltage On the other hand, the output voltage is changed by changing the switching frequency of the first and second switching elements Q1, Q2 based on the error amplification signal (second error amplification signal) between the output voltage Vo and the second reference voltage. Can be controlled.
なお、上述ではスイッチング素子の休止期間を説明するために図6(b)を用いたが、スイッチング素子の休止期間の形態はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での変更が可能である。 In the above description, FIG. 6B is used to describe the idle period of the switching element. However, the mode of the idle period of the switching element is not limited to this, and the scope of the present invention is not deviated. Can be changed.
次に、図7を用いて、より好適なスイッチング素子の休止期間による制御方法の形態を説明する。図7(a)は、スイッチング素子の休止期間が終わり、再びスイッチングが始まるとき、最初から略50%のオンデューティでスイッチングを始める場合(ハーフパルス制御無し)の各部波形を示している。 Next, the form of the control method by the more preferable idle period of a switching element is demonstrated using FIG. FIG. 7A shows respective waveforms when switching is started at an on-duty of about 50% from the beginning (without half-pulse control) when the switching element is idle and switching starts again.
この場合、図7(a)のように、スイッチングが開始された直後では高周波トランスTの励磁電流は略0A(アンペア)になっており(A点)、スイッチング開始直後からオンデューティ50%でオンすると、励磁電流が大きくなるため(B点)、巻数を多くして高周波トランスTの寸法を大きくしなければならず、スイッチング電源装置が高価になる。 In this case, as shown in FIG. 7A, immediately after switching is started, the exciting current of the high-frequency transformer T is approximately 0 A (ampere) (point A), and is turned on with an on-duty of 50% immediately after the start of switching. Then, since the exciting current increases (point B), the number of turns must be increased to increase the size of the high-frequency transformer T, and the switching power supply device becomes expensive.
一方、図7(b)のように、スイッチング開始直後の最初のスイッチングのみ、オンデューティを所定のオンデューティ(略50%)の2分の1のハーフパルス(略25%)にした場合、高周波トランスの励磁電流の増加を抑制できる(D点)。 On the other hand, as shown in FIG. 7B, when only the first switching immediately after the start of switching, the on-duty is set to a half pulse (approximately 25%) that is a half of the predetermined on-duty (approximately 50%). An increase in the excitation current of the transformer can be suppressed (D point).
なお、図7では、第2スイッチング素子Q2からスイッチングを始めているため、第2スイッチング素子Q2の最初のオンデューティのみハーフパルスとしたが、第1スイッチング素子Q1からスイッチングが開始される場合は、第1スイッチング素子Q1の最初のオンデューティのみハーフパルスとする。 In FIG. 7, since switching is started from the second switching element Q2, only the first on-duty of the second switching element Q2 is a half pulse. However, when switching is started from the first switching element Q1, Only the first on-duty of one switching element Q1 is a half pulse.
以上のようなハーフパルス制御を行うことにより、高周波トランスTの励磁電流を抑制できるため、高周波トランスTの寸法を小型にすることができ、スイッチング電源装置を低価格にすることができる。 By performing the half pulse control as described above, the exciting current of the high-frequency transformer T can be suppressed. Therefore, the size of the high-frequency transformer T can be reduced, and the switching power supply device can be made inexpensive.
さらに、図8を用いて、より好適なハーフパルス制御の形態を説明する。図8(a)は、スイッチング開始時のみハーフパルス制御する場合の各部波形を示している。 Furthermore, a more preferable form of half pulse control will be described with reference to FIG. FIG. 8A shows the waveform of each part when half pulse control is performed only at the start of switching.
この場合、第2スイッチング素子Q2をハーフパルスにしているため、第1スイッチング素子Q1のオン期間の和と第2スイッチング素子Q2のオン期間の和は第2スイッチング素子Q2の方が大きくなる。このとき、両者のスイッチング素子は力率改善部2のスイッチング素子も兼ねているため、図8(a)のように、交流電源Vacからの電流波形は正負非対称になり、力率が悪化するという問題がある。
In this case, since the second switching element Q2 is a half pulse, the sum of the on period of the first switching element Q1 and the sum of the on period of the second switching element Q2 is larger in the second switching element Q2. At this time, since both of the switching elements also serve as the switching element of the power
一方、図8(b)のように、一方のスイッチング素子(Q2)のスイッチング休止期間直後のオンデューティをハーフパルスとし、かつ他方のスイッチング素子(Q1)の休止期間直前のオンデューティもハーフパルスとすれば、両者のスイッチング素子のオン期間の和が等しくなるため、図8(b)のように、交流電源Vacからの電流波形は正負対称になり、高力率を維持することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 8B, the on-duty immediately after the switching pause period of one switching element (Q2) is a half pulse, and the on-duty immediately before the pause period of the other switching element (Q1) is also a half pulse. Then, since the sum of the ON periods of both switching elements becomes equal, the current waveform from the AC power supply Vac becomes positive and negative symmetrical as shown in FIG. 8B, and a high power factor can be maintained.
なお、図8では、第2スイッチング素子Q2からスイッチングを始めているため、第2スイッチング素子Q2の最初のオンデューティをハーフパルスとし、第1スイッチング素子Q1の終わりをハーフパルスとしたが、第1スイッチング素子Q1からスイッチングが開始される場合は、第1スイッチング素子Q1の最初のオンデューティをハーフパルスとし、第2スイッチング素子Q2の終わりをハーフパルスとする。 In FIG. 8, since switching is started from the second switching element Q2, the first on-duty of the second switching element Q2 is a half pulse and the end of the first switching element Q1 is a half pulse. When switching is started from the element Q1, the first on-duty of the first switching element Q1 is a half pulse, and the end of the second switching element Q2 is a half pulse.
以上、図8で説明したハーフパルス制御を行うことにより、高周波トランスTの励磁電流を抑制しつつ、高力率を維持できる。 As described above, by performing the half pulse control described with reference to FIG. 8, it is possible to maintain a high power factor while suppressing the excitation current of the high-frequency transformer T.
以上で説明したように、本発明のスイッチング電源装置は、PFC電圧を2√2Vac-in(Vac-inは交流入力電圧の実効値)以上に制御することより、力率改善動作を確実に行い、高力率を維持できる。
また、PFC電圧はスイッチング休止期間を変えることにより、そして、出力電圧はスイッチング周波数を変えることにより、これらを独立に制御できるため、高力率を維持しつつ、負荷部に所定の出力電圧を確実に供給することができる。
さらに、本発明におけるスイッチング素子の制御方法によれば、高周波トランスの寸法を小さく抑えることができ、安価なスイッチング電源装置を提供できる。
As described above, the switching power supply device of the present invention reliably performs the power factor correction operation by controlling the PFC voltage to 2√2 Vac-in (Vac-in is an effective value of the AC input voltage) or more. Can maintain a high power factor.
Also, the PFC voltage can be controlled independently by changing the switching pause period, and the output voltage can be controlled independently by changing the switching frequency, so that a predetermined output voltage can be reliably supplied to the load section while maintaining a high power factor. Can be supplied to.
Furthermore, according to the switching element control method of the present invention, the size of the high-frequency transformer can be kept small, and an inexpensive switching power supply device can be provided.
1,1a,1b,1c:スイッチング電源装置、 2:力率改善部、 3:電流共振コンバータ部、 4:PFC電圧検出部、 5:第1基準電圧発生部、 6:第1誤差増幅器、 7:スイッチング制御部、 8:出力電圧検出部、 9:第2基準電圧発生部 10:第2誤差増幅器、11:第1絶縁手段、12:第2絶縁手段、13:第3絶縁手段、 Q1:第1スイッチング素子、 Q2:第2スイッチング素子、 D1:第1ダイオード、 D2:第2ダイオード、 D3,D4:整流ダイオード、 Ci:第1平滑コンデンサ、Co:第2平滑コンデンサ、L1:昇圧インダクタ、 Lr:共振インダクタ、Cr:共振コンデンサ、 T:高周波トランス、 Vac:交流電源、 VPFC:PFC電圧 1, 1a, 1b, 1c: switching power supply device, 2: power factor improvement unit, 3: current resonance converter unit, 4: PFC voltage detection unit, 5: first reference voltage generation unit, 6: first error amplifier, 7 : Switching control unit, 8: output voltage detection unit, 9: second reference voltage generation unit, 10: second error amplifier, 11: first insulation unit, 12: second insulation unit, 13: third insulation unit, Q1: First switching element, Q2: second switching element, D1: first diode, D2: second diode, D3, D4: rectifier diode, Ci: first smoothing capacitor, Co: second smoothing capacitor, L1: boost inductor, Lr: resonant inductor, Cr: resonant capacitor, T: high frequency transformer, Vac: AC power supply, V PFC : PFC voltage
Claims (11)
前記第1、第2スイッチング素子を共通としたハーフブリッジ回路と、高周波トランスと、前記ハーフブリッジ回路と前記高周波トランスの一次巻線との間に備えられた共振インダクタと共振コンデンサとを含む共振回路と、前記高周波トランスの二次巻線と負荷部の間に備えられた整流ダイオードと第2平滑コンデンサを含む整流平滑回路とを含み、前記共振回路と前記高周波トランスとによる共振動作によって前記第1、第2スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行うとともに、前記PFC電圧を入力電圧として、前記高周波トランスを介して、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作によって得られる一次側の高周波電圧を二次側の前記整流平滑回路で整流平滑して得られる直流の出力電圧を前記負荷部に供給する電流共振コンバータ部と、
を備えたスイッチング電源装置において、
前記PFC電圧を検出するPFC電圧検出部と、第1基準電圧を発生する第1基準電圧発生部と、前記PFC電圧と前記第1基準電圧との差を増幅して出力する第1誤差増幅器と、前記第1誤差増幅器からの出力信号に基づき、前記第1、第2スイッチング素子をオン/オフ制御するための駆動信号を出力するスイッチング制御部とを含み、前記第1基準電圧を前記交流入力電圧の実効値(Vac-in)の少なくとも2√2倍に相当する電圧値に設定して、前記PFC電圧と前記交流入力電圧の実効値が、
VPFC>2√2Vac-in
の関係を満足するように、前記第1、第2スイッチング素子を制御することを特徴とするスイッチング電源装置。 A series circuit in which the first and second diodes are connected in the forward direction is connected in parallel to the series circuit of the first and second switching elements, and the boost inductor and the AC power supply are connected in series between the intermediate points of the two series circuits. Are connected to the cathode side of the series circuit of the first and second diodes, and the negative side is connected to the anode side, respectively, and by the on / off operation of the first and second switching elements, A power factor correction (PFC) unit that boosts an AC input voltage from the AC power source through the boost inductor while improving a power factor and outputs a DC PFC voltage (V PFC ) to the first smoothing capacitor. When,
A resonant circuit including a half-bridge circuit having the first and second switching elements in common, a high-frequency transformer, and a resonant inductor and a resonant capacitor provided between the half-bridge circuit and a primary winding of the high-frequency transformer. And a rectifying / smoothing circuit including a rectifying diode and a second smoothing capacitor provided between the secondary winding of the high-frequency transformer and the load section, and the first operation is performed by the resonance operation of the resonance circuit and the high-frequency transformer. The soft switching operation of the second switching element is performed, and the primary high-frequency voltage obtained by the on / off operation of the first and second switching elements through the high-frequency transformer with the PFC voltage as an input voltage. A DC output voltage obtained by rectifying and smoothing by the rectifying and smoothing circuit on the secondary side is supplied to the load unit. And a flow resonant converter section,
In a switching power supply device comprising:
A PFC voltage detector that detects the PFC voltage; a first reference voltage generator that generates a first reference voltage; and a first error amplifier that amplifies and outputs the difference between the PFC voltage and the first reference voltage; A switching control unit that outputs a drive signal for on / off control of the first and second switching elements based on an output signal from the first error amplifier, and the first reference voltage is input to the AC input The voltage value corresponding to at least 2√2 times the effective value (Vac- in ) of the voltage is set, and the effective values of the PFC voltage and the AC input voltage are
V PFC > 2√2Vac -in
The switching power supply device is characterized in that the first and second switching elements are controlled so as to satisfy the relationship.
前記スイッチング制御部は、前記第1誤差増幅器と第2誤差増幅器からのそれぞれの出力信号に基づいて前記第1、第2のスイッチング素子を制御して前記出力電圧を定電圧制御することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 An output voltage detector for detecting the output voltage output from the rectifying and smoothing circuit; a second reference voltage generator for generating a second reference voltage; and amplifying a difference between the output voltage and the second reference voltage. And a second error amplifier for outputting
The switching control unit performs constant voltage control on the output voltage by controlling the first and second switching elements based on respective output signals from the first error amplifier and the second error amplifier. The switching power supply device according to claim 1.
前記第1、第2スイッチング素子を共通としたハーフブリッジ回路と、高周波トランスと、前記ハーフブリッジ回路と前記高周波トランスの一次巻線との間に備えられた共振インダクタと共振コンデンサとを含む共振回路と、前記高周波トランスの二次巻線と負荷部の間に備えられた整流ダイオードと第2平滑コンデンサを含む整流平滑回路とを含み、前記共振回路と前記高周波トランスとによる共振動作によって前記第1、第2スイッチング素子のソフトスイッチング動作を行うとともに、前記PFC電圧を入力電圧として、前記高周波トランスを介して、前記第1、第2スイッチング素子のオン/オフ動作によって得られる一次側の高周波電圧を二次側の前記整流平滑回路で整流平滑して得られる直流の出力電圧を前記負荷部に供給する電流共振コンバータ部と、
を備えたスイッチング電源装置の前記PFC電圧の制御方法であって、
前記PFC電圧と前記交流入力電圧の実効値(Vac-in)が、
VPFC>2√2Vac-in
の関係を満足するように制御されることを特徴とするスイッチング電源装置の制御方法。 A series circuit in which the first and second diodes are connected in the forward direction is connected in parallel to the series circuit of the first and second switching elements, and the boost inductor and the AC power supply are connected in series between the intermediate points of the two series circuits. The positive side of the first smoothing capacitor is connected to the cathode side of the series circuit of the first and second diodes, the negative side is connected to the anode side, and the on / off operation of the first and second switching elements A power factor correction (PFC) unit that boosts an AC input voltage from the AC power source through a boost inductor while improving a power factor and outputs a DC PFC voltage (V PFC ) to the first smoothing capacitor; ,
A resonant circuit including a half-bridge circuit having the first and second switching elements in common, a high-frequency transformer, and a resonant inductor and a resonant capacitor provided between the half-bridge circuit and a primary winding of the high-frequency transformer. And a rectifying / smoothing circuit including a rectifying diode and a second smoothing capacitor provided between the secondary winding of the high-frequency transformer and the load section, and the first operation is performed by the resonance operation of the resonance circuit and the high-frequency transformer. The soft switching operation of the second switching element is performed, and the primary high-frequency voltage obtained by the on / off operation of the first and second switching elements through the high-frequency transformer with the PFC voltage as an input voltage. A DC output voltage obtained by rectifying and smoothing by the rectifying and smoothing circuit on the secondary side is supplied to the load unit. And a flow resonant converter section,
A method for controlling the PFC voltage of a switching power supply device comprising:
The effective value (Vac- in ) of the PFC voltage and the AC input voltage is
V PFC > 2√2Vac -in
And a control method for the switching power supply device, wherein the control is performed so as to satisfy the relationship.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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