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公開番号2021106487
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210726
出願番号2020114815
出願日20200702
発明の名称AC-DCコンバータ
出願人個人
代理人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210625BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】LED照明用駆動電源等で用いられる、スイッチング損失やノイズの低減に有効な高力率AC-DCコンバータを提供する。
【解決手段】高力率AC-DCコンバータは、単相、三相システムともに、1個のスイッチング素子によりLC共振周期で決まる一定の期間スイッチをオンするオン期間と、共振動作が維持できるに必要なオフ期間と組み合わせたスイッチング電圧波形をLC共振回路に加える手段をとっており、零電流でのスイッチング動作を可能とし、共振電流も負荷電流の大きさに応じた大きさで働かせることができる。
【選択図】図16
特許請求の範囲【請求項1】
交流電源に全波整流回路を接続し、その直流出力端子側に直流スイッチ回路を介して共振インダクタLと共振キャパシタCで構成するLC共振回路に接続し、前記共振キャパシタの両端から直流出力を得る交流―直流変換回路において、
前記直流スイッチ回路を前記LC共振回路の共振周期あるいはその整数倍の周期で決まる一定の期間オンした後、正常に次の共振動作ができるに必要な期間以上のオフ期間を与えてスイッチングさせるスイッチング動作の繰り返し電圧波形を前記LC共振回路に加えることにより、前記直流スイッチ回路に流れる振動電流が零あるいはほぼ零に近い値で前記直流スイッチ回路をスイッチング動作させることを特徴とするAC-DCコンバータ。
続きを表示(約 980 文字)【請求項2】
請求項1記載のAC-DCコンバータにおいて、前記全波整流回路を前記交流電源が単相交流の場合は単相ブリッジ整流回路とし、前記交流電源が三相交流の場合は三相ブリッジ整流回路で構成することを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項3】
請求項1から2記載のAC-DCコンバータにおいて、前記直流スイッチ回路を単独のスイッチまたはスイッチに逆流阻止ダイオードを接続し、これと前記共振インダクタに対するフリーフォイーリングダイオードとで構成することを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項4】
請求項1から3記載のAC-DCコンバータにおいて、前記共振キャパシタに対してインダクタまたはインダクタとキャパシタで構成される直流フィルタ回路を出力側に配置して負荷に接続することを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項5】
請求項1から4記載のAC-DCコンバータにおいて、直流スイッチ回路のスイッチング動作による交流電源電流へのスイッチング調波成分を除去するために、前記全波整流回路の直流側または交流側にインダクタとキャパシタとで構成するフィルタ回路を入力側に接続することを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項6】
請求項1記載のAC-DCコンバータにおいて、請求項2から5記載の回路構成を付加することにより、優れたスイッチング制御特性が得られることを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項7】
請求項1から6記載のAC-DCコンバータにおいて、前記直流スイッチ回路によるオン、オフスイッチング動作の繰り返し電圧波形列からなる給電期間と、前記直流スイッチ回路をスイッチング周期に同期させてオフさせる無給電期間との制御周期に対する給電期間の割合のデユーティー制御により直流電圧を制御することを特徴とするAC-DCコンバータ。
【請求項8】
請求項1から6記載のAC-DCコンバータにおいて、前記直流スイッチ回で前記LC共振回路の共振周期あるいはその整数倍の周期より決まる一定の期間オンした後、正常に次の共振動作ができるに必要な期間以上のオフ期間を調整するスイッチング周波数制御により直流電圧を制御することを特徴とするAC-DCコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、光源や熱源としてのLED照明や電熱器など電気エネルギーを需要要求に応じて消費する負荷に対する駆動電源の電源品質改善と小型化、軽量化、低価格化に貢献する技術である。
続きを表示(約 4,000 文字)【背景技術】
【0002】
特にLED照明は、本来の低消費電力や長寿命の特徴に加えて省エネ化への期待や制御機能の向上が図られるため、近年の照明器具の低価格化と共に広く普及してきた。
【0003】
LED照明電源は、電気エネルギーを一方的に需要要求に応じて消費する負荷であるため、極めて簡単な回路構成でも実用に供することができることと、市販される台数が極めて多いため、低価格な電源で構成されることが多く、今後のさらなる普及発展には解決すべき課題も多い。
【0004】
一般的なLED照明用駆動電源は、交流電源を整流して電解コンデンサで平滑した後、スイッチ回路で調光制御しており、ハードスイッチング損失、スイッチングノイズ、電解コンデンサによる寿命等の課題に加えて力率改善対策としてPFC整流回路を付加したものは、回路構成がさらに複雑化するなどの課題があった。
【0005】
本発明は、新しく開発したソフトスイッチング技術による整流電源をLED照明用電源として用いることにより、平滑用電解コンデンサを用いることなく、簡単な回路構成でスイッチング損失やスイッチングノイズの低減および交流電源電流の波形改善を可能とした高性能で小型軽量化につながるLED照明用駆動電源を実現するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0006】
矢野、内田著、「パワーエレクトロニクス」、丸善株式会社、pp.105-pp.112、2000.
國松、河邊、石田著、「LED照明駆動用IPDの開発」、Panasonic Technical Journal Vol.58, No.1, pp.18-23,Apr.2012
【特許文献】
【0007】
特開2009−516922:「LED駆動装置」
特開平1−218352:「スイッチング電源回路」
特許第6667750:「DC-DCコンバータ」
【0008】
ソフトスイッチング制御には、(
)でも述べられているように、代表的なものに電圧共振型のものと電流共振型のものがあり、前者は電圧共振により、電圧が零のときにオン、オフするゼロ電圧スイッチング (ZVS: Zero Voltage Switching )を実現し、後者は電流共振により、電流が零のときにオン、オフするゼロ電流スイッチ(ZCS: Zero Current Switching)を実現して、いずれもスイッチング損失やスイッチングノイズを低減することを目的とするスイッチング制御手法であり、通常のハードスイッチング制御と区別されている。
【0009】
ソフトスイッチング制御は、一般に電圧共振型では大きな振動電圧が素子の耐圧に、電流共振型では大きな共振電流が素子の電流容量の増大と通電損失の増加につながるため、特に軽負荷時において効率等の点で課題も多く、これらのスイッチング制御の適用可能範囲は限られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
ソフトスイッチングに関する先行技術文献のうち、(
)、(
)は、LC共振回路による零電流スイッチ作用を用いているが、いずれもスイッチングの周期毎に共振キャパシタの電圧を零まで放電させるため、電源からのスイッチを投入する度に、負荷電流の軽重に関わらず大きな振動電流が流れることが課題となっている。
【0011】
さらに、調光制御などの出力電圧を制御するためには、共振キャパシタの電圧を零まで放電させてから、電源からのスイッチを投入するまでの期間を制御することとなっており、出力電圧が大幅に変化すると共にスイッチ投入時の問題を生じる。
【0012】
また、(
)、(
)には、LED照明用駆動電源の開発内容についての詳細な説明の中で、電解コンデンサレス化、高力率駆動、調光機能等の課題の解決策が述べられているが、効率面等では改善の余地があり、価格にも直結する回路構成の複雑さなどは今後の解決すべき課題となっている。
【0013】
これらに対して(
)は、高周波方形波電圧形インバータを用いたソフトスイッチング制御回路による絶縁型DC-DCコンバータであり、共振電流が負荷電流に応じて変化させられるので、軽負荷時における共振電流による通電損失を抑えることができるため、小型、軽量、高効率化が期待できる大変有益なDCDC変換制御技術であるといえる。
【0014】
しかしながら、絶縁と大きな電圧変化を目的として用いる変圧器は、方形波電圧形インバータの制御上、動作磁束レベルを下げて変圧器を小型化する上で変圧器の偏磁する可能性がでてくるため出力電圧制御等が難しくなる恐れがある。
【0015】
また、市販される台数が極めて多く低価格な電源構成が要求されるLED駆動電源などの応用においては、(
)は主回路構成が複雑化するため、サイズやコスト面での課題が生じる。
【0016】
一方、整流回路電源は、一般に交流電源から全波整流回路、平滑フィルタ回路を経た後、直流出力電圧電流を制御する回路構成からなっており、平滑フィルタ回路には大容量電解コンデンサが用いられることが多い。
【0017】
このため、交流電源ラインにフィルタ回路が挿入されていても、電解コンデンサを充電する大きなパルス状の電流が流れるため、実用化する上で交流電流波形歪が問題となる場合は、整流電源の制御に加えて波形改善のために力率改善回路が用いられている。
【0018】
このため、一般の整流電源では、上述したスイッチング制御に伴う課題に加えて、主回路構成が複雑化し、電解コンデンサを用いることによる寿命の問題や、装置の小型軽量化のネックになるなど課題も多い。
【課題を解決するための手段】
【0019】
図1は、本発明で用いる直流電源に対して電流共振型ソフトスイッチング動作をさせるDC-DCコンバータの基本回路である。
【0020】
同図において、スイッチを零電流の状態でオンすると、Lr,Crによる共振電流が流れ、その振動電流が再び零あるいはほぼ零になるとき、スイッチをオフさせることにより、零電流でスイッチをオン、オフさせることができる。
【0021】
図中のダイオードD1は、スイッチが逆阻止耐圧を有さない場合、共振電流を逆流させないために用いているものであり、ダイオード整流回路出力から直接このスイッチ回路が繋がれている場合などでは不要である。
【0022】
また、ダイオードD2は共振インダクタに電流が完全に零になる前にスイッチをオフする事がある場合があっても、電流経路を確保するために用いているもので、正常なソフトスイッチング動作においては不要である。
【0023】
図2は、図1に示す本発明のソフトスイッチング制御基本回路のスイッチング動作波形を示したもので、同図(a)は負荷が重い時、同図(b)は負荷が軽いときの動作波形である。
【0024】
同図より、スイッチSのオン,オフ信号に対応して、両ケースとも、共振振動電流irと共振キャパシタの端子電圧vrの波形を示しており、スイッチSがオンした時点から電流が零から立ち上がり、電流が零に低下した時点でスイッチをオフする動作になっていることが確認できる。
【0025】
両ケースの動作波形から、負荷が重いときは大きな共振電流が流れるため、共振キャパシタの電圧変化も大きく変化するが、負荷が軽くなると共振キャパシタの電圧変化は少なく、無負荷時には共振キャパシタの電圧は電源電圧と一致するので、それらの差電圧はなくなり共振電流は流れなくなることがわかる。
【0026】
この点が、従来からの電流型ソフトスイッチング制御と大きく異なるところであり、本発明で用いる整流回路動作の大きな特徴のひとつである。
【0027】
この基本動作だけでは、出力電圧電流を直接制御することはできないが、出力電圧を変える方法として次の2つが考えられる。
【0028】
図3は、一つの出力電圧の制御法としてデューティー制御による基本動作波形を示しており、ソフトスイッチング動作をさせるためのLC共振回路の共振周期オンした後、オフ動作を入れる給電繰り返しパルス列の出力期間Tonの後に、周期的にスイッチングパルス列にオフ期間を入れることにより、制御周期Tに対するTonの割合を示す デューティー(KD=Ton/T)制御により平均出力電圧が制御できる
【0029】
同図(a)は、給電繰り返しパルス列の出力期間Ton と制御周期T=が等しい100%出力時の動作波形であり、同図(b),(c)は、制御周期内でのデユーティー(KD=Ton/T)を変えたときの波形であり、LC共振回路への印加電圧を変えることによって、直流出力電圧の平均値を変えられることを示している。
【0030】
なお、このスイッチをオフさせる期間のタイミングは、この電圧制御機関においてもソフトスイッチング動作ができるように一定のスイッチングパルス幅に同期させる必要があるため、一定の制御周期では段階的な電圧出力制御となる。
(【0031】以降は省略されています)

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