JP2023141472A - AC-DC power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源としてのLED照明器具用電源から比較的容量の大きなインバータエアコンなど比較的容量の大きな応用分野の電気エネルギーを消費する負荷に対する直流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。 The present invention aims to improve the power quality of DC power supplies for loads that consume electrical energy in relatively large-capacity application fields, such as power supplies for LED lighting equipment as light sources, and inverter air conditioners with relatively large capacity. This is a technology that contributes to lower prices.
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。 In addition to its inherent characteristics of low power consumption and long life, LED lighting has expectations for energy savings and improved control functions, and has become widely popular as lighting equipment has become cheaper in recent years.
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。 LED lighting power supplies are loads that consume electrical energy unilaterally according to demand requirements, so they can be put to practical use even with extremely simple circuit configurations, and because there are extremely large numbers of them on the market, they are low-cost power supplies. There are many issues that need to be resolved for further popularization and development in the future.
一般的なLED照明用電源は、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(Power Factor Correction:力率改善)整流回路を付加したものは、LED照明用駆動電源としては動作電圧が高くなり、その後段に電圧を下げるためにDC-DCコンバータを接続する2段構成となるなど、回路構成がさらに複雑化するなどの課題があった。 A typical power supply for LED lighting rectifies the AC power and smoothes it with an electrolytic capacitor, and then controls the dimming with a switch circuit. Products with a PFC (Power Factor Correction) rectifier circuit added as a power factor improvement measure have a high operating voltage as a drive power source for LED lighting, and a DC-DC converter is connected to the subsequent stage to lower the voltage. There were issues such as a two-stage configuration, which made the circuit configuration even more complicated.
一方、インバータエアコンの直流電源としては、インバータの動作電圧も高いため、接続される商用電源電圧によっては倍電圧整流が用いられるなど、LED照明電源に比べて、動作電圧は高いが、容量も大きく、その整流電源を得る時の動作特性が、電流波形ひずみによる周辺機器への影響も大きい。 On the other hand, as a DC power source for an inverter air conditioner, the operating voltage of the inverter is high, so voltage doubler rectification is used depending on the connected commercial power supply voltage, so the operating voltage is higher than that of an LED lighting power source, but the capacity is also larger. The operating characteristics when obtaining the rectified power supply have a large effect on peripheral equipment due to current waveform distortion.
このため、インバータエアコン用電源においてもPFCコンバータが用いられており、回路構成が複雑化するだけでなく、スイッチング損失、高周波ノイズが課題となるため、種々の改善策も講じられている。 For this reason, PFC converters are also used in power supplies for inverter air conditioners, which not only complicates the circuit configuration but also poses problems such as switching loss and high frequency noise, so various improvement measures have been taken.
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に有効なソフトスイッチング制御技術と、交流電源電流の波形改善技術を併用した高性能で小型軽量化となるため、LED照明用電源からインバータエアコン用直流電源までの幅広い応用範囲で適用が期待される技術である。
The present invention combines soft switching control technology, which is effective in reducing switching loss and switching noise, with a simple circuit configuration using newly developed soft switching technology, and technology to improve the waveform of AC power supply current, resulting in high performance, small size, and light weight. Therefore, it is a technology that is expected to be applied in a wide range of applications, from power supplies for LED lighting to DC power supplies for inverter air conditioners.
LED照明用電源は、調光機能に加えて高い変換効率、高力率駆動が求められており、
インバータエアコン用の直流電源は、後段にPWMインバータで出力制御はできるものの、前段の直流電源を得る変換装置も力率改善と高調波低減が要求されており、いずれも交流電源の電流高調波対策が求められており、PFCコンバータの導入が進んでいるが、
スイッチング損失、スイッチングノイズが発生する問題や回路構成が複雑化するなどの課題があり、様々な改善策が講じられている。
Power supplies for LED lighting are required to have high conversion efficiency and high power factor drive in addition to dimming function.
Although the output of DC power supplies for inverter air conditioners can be controlled by a PWM inverter in the latter stage, the converter that obtains the DC power in the front stage is also required to improve the power factor and reduce harmonics, both of which require countermeasures against current harmonics of AC power supplies. is required, and the introduction of PFC converters is progressing,
There are problems such as switching loss and switching noise, and a complicated circuit configuration, and various improvement measures have been taken.
これら対策の多くは、ハードスイッチングによっているため、スイッチング損失だけでなく、スイッチングノイズの影響も問題となり、(
ハードスイッチングノイズの課題を解決する手法として、零電圧スイッチングや零電流スイッチングなどのソフトスイッチング手法がある。 As a method to solve the problem of hard switching noise, there are soft switching methods such as zero voltage switching and zero current switching.
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このAC-DCコンバータは、LC共振回路によりソフトスイッチング動作をさせるときのスイッチング周期を制御することにより、電源電流波形は高周波スイッチングフィルタ回路を通すことにより、連続的に出力制御ができるが、直流負荷として白熱電球や電熱器などの抵抗負荷が接続される場合は、低次高調波電流が全く含まれない交流電源電圧波形と同じ正弦波に制御することができる優れた特性が得られる。 This AC-DC converter can continuously control the output by controlling the switching period during soft switching operation using an LC resonant circuit, and by passing the power supply current waveform through a high-frequency switching filter circuit. When a resistive load such as an incandescent light bulb or electric heater is connected, excellent characteristics can be obtained in that it can be controlled to the same sine wave as the AC power supply voltage waveform, which does not contain any low-order harmonic current.
しかし、直流回路負荷がLEDの場合は、順方向電圧降下が高く、AC-DCコンバータの出力電圧がこの電圧より高いときしか流れないため、正弦波の交流電源波形の中央付近は流れるが、零電圧近辺は電流が流れないので、交流電源波形は正弦波ではなくなる。 However, when the DC circuit load is an LED, the forward voltage drop is high and current flows only when the output voltage of the AC-DC converter is higher than this voltage. Since no current flows near the voltage, the AC power waveform is no longer a sine wave.
また、LED照明の場合は、白熱電球とは異なり、この電流の流れに比例して明るさが変化するため、交流電源周波数の2倍の周波数でのフリッカも懸念される。 Furthermore, in the case of LED lighting, unlike incandescent light bulbs, the brightness changes in proportion to the current flow, so flicker at a frequency twice the AC power frequency is also a concern.
そこで、出力端に平滑用キャパシタを接続するとき、AC-DCコンバータの出力電圧が平滑キャパシタの電圧以上にならないと電流は流れないため、電流波形はLED照明の場合と同様の動作波形となる。 Therefore, when a smoothing capacitor is connected to the output terminal, current will not flow unless the output voltage of the AC-DC converter exceeds the voltage of the smoothing capacitor, so the current waveform becomes an operating waveform similar to that of LED lighting.
このため、(
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一方、一般のPFCコンバータは、一定の直流出力を得ると同時に、交流電流波形を正弦波状に制御することができる特徴を有している。 On the other hand, a general PFC converter has the characteristic of being able to obtain a constant DC output and at the same time control the AC current waveform into a sinusoidal waveform.
このPFCコンバータの電流制御手段として、CCM(continuous Conduction Mode)と呼ばれる電流連続形のもの、DCM(Discontinuous Conduction Mode)と呼ばれる電流不連続形のも、あるいはCRMと呼ばれるものがあり、それぞれに優れた特徴とともに課題点も指摘されている。 Current control means for this PFC converter include a continuous current type called CCM (continuous conduction mode), a current discontinuous type called DCM (discontinuous conduction mode), and a type called CRM, each of which has its own advantages. Along with its features, issues are also pointed out.
そして、DCM制御の場合を除いて、電流制御の基準波形の発生に掛け算処理等が必要となり、制御回路の構成が複雑化する。 In addition, except in the case of DCM control, multiplication processing or the like is required to generate a reference waveform for current control, which complicates the configuration of the control circuit.
また、これらはいずれもハードスイッチングを基本としているために、上述したスイッチング損失やスイッチングノイズの発生や電流波形制御用リアクトル部での騒音や、EMIノイズ対策も課題となる。 In addition, since these are all based on hard switching, there are also problems with the generation of switching loss and switching noise mentioned above, noise in the reactor section for controlling the current waveform, and countermeasures against EMI noise.
加えて、PFCコンバータは、交流電源電圧のピーク値以上の直流動作電圧でしか働かすことができないため、低い電圧出力を得るためのDC-DCコンバータを付加する場合は、主回路構成はさらに複雑化する。 In addition, the PFC converter can only operate at a DC operating voltage that is higher than the peak value of the AC power supply voltage, so when adding a DC-DC converter to obtain a low voltage output, the main circuit configuration becomes even more complex. do.
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図1は、本発明のAC-DC電源のソフトスイッチング制御による単相AC-DCコンバータ部の基本回路構成図を示している。 FIG. 1 shows a basic circuit configuration diagram of a single-phase AC-DC converter section using soft switching control of an AC-DC power supply according to the present invention.
図2は、このAC-DCコンバータの直流負荷として抵抗が接続されている場合の基本動作波形であり、スイッチSをLC共振周期以上の期間オンしたのち、オフすることにより、交流電源電圧をダイオードブリッジ整流回路の出力電圧波形easの振幅値に比例した共振電流irが流れるため、交流電源電流波形iasは電源フィルタ回路を通すことにより正弦波電流波形iaが流れることを示している。 Figure 2 shows the basic operating waveforms when a resistor is connected as the DC load of this AC-DC converter. By turning on the switch S for a period longer than the LC resonance period and then turning it off, the AC power supply voltage is converted to a diode. Since a resonant current ir proportional to the amplitude value of the output voltage waveform eas of the bridge rectifier circuit flows, the AC power supply current waveform ias shows that a sine wave current waveform ia flows by passing through the power supply filter circuit.
このとき、スイッチSのオン、オフは共振電流irが零電流のときにスイッチすることになることから、零電流ソフトスイッチング動作を実現できることが分かる。 At this time, since the switch S is turned on and off when the resonance current ir is zero current, it can be seen that a zero current soft switching operation can be realized.
なお、抵抗負荷時の電流ioは、共振キャパシタCrの端子電圧に比例した共振電流irの平均的な正弦波の絶対値に比例した電流が流れることとなる。 Note that the current io when a resistive load is applied is a current proportional to the absolute value of the average sine wave of the resonant current ir, which is proportional to the terminal voltage of the resonant capacitor Cr.
図3は、三相電源電圧に対して三相全波整流回路の出力をAC-DCコンバータに接続したときの回路図を示している。 FIG. 3 shows a circuit diagram when the output of a three-phase full-wave rectifier circuit is connected to an AC-DC converter for a three-phase power supply voltage.
図4は、三相AC-DCコンバータのスイッチング動作波形を示しており、スイッチSのオンオフ制御により三相全波整流回路の出力電圧波形easに比例した振幅の共振電流irが流れるため、交流電流は図示するような120度区間毎にこの共振電流波形がスイッチ切り換えされた電流波形iaが流れる。 Figure 4 shows the switching operation waveforms of the three-phase AC-DC converter.As a resonant current ir with an amplitude proportional to the output voltage waveform eas of the three-phase full-wave rectifier circuit flows due to the on/off control of the switch S, the alternating current As shown in the figure, a current waveform ia in which this resonant current waveform is switched in every 120 degree section flows.
交流電流波形は単相の場合と三相の場合で異なるが、単相、三相いずれの動作においても、AC-DCコンバータの交流電流波形は、等価的に全波整流回路の出力端に抵抗負荷が接続されたときの電流波形に比例した電流が流れることとなり、スイッチSのスイッチング周期制御により出力制御されることを示している。 The AC current waveform differs between single-phase and three-phase cases, but in either single-phase or three-phase operation, the AC-DC converter's AC current waveform is equivalent to a resistor at the output end of the full-wave rectifier circuit. This shows that a current proportional to the current waveform when the load is connected flows, and the output is controlled by the switching cycle control of the switch S.
次に、上記AC-DCコンバータの直流負荷としてLEDなど接続された負荷が接続されたときの動作を説明する。 Next, the operation when a load such as an LED is connected as a DC load of the AC-DC converter will be described.
図5は、単相AC-DCコンバータの負荷として平滑用キャパシタCdとLED負荷が接続された時の等価回路を示していて、LEDの順方向電圧降下VFを起電力EBに対応させて示している。 Figure 5 shows an equivalent circuit when a smoothing capacitor Cd and an LED load are connected as the load of a single-phase AC-DC converter, and the forward voltage drop V F of the LED is made to correspond to the electromotive force E B. It shows.
図6は、このような起電力源を含む負荷が接続された時の動作波形を示しており、AC-DCコンバータの出力電圧がこの起電力源となる電圧より高いときしか流れないため、交流電源波形の零電圧近辺は電流が流れず、中央付近にしか流れない電流波形となる。 Figure 6 shows the operating waveform when a load including such an electromotive force source is connected. Since the output voltage of the AC-DC converter is higher than the voltage of this electromotive force source, the AC No current flows near the zero voltage of the power supply waveform, and the current waveform only flows near the center.
図7は、本発明のAC-DC電源の主回路構成を示しており、AC-DCコンバータのLC共振回路の出力と負荷の間にスイッチS2を用いたスイッチ回路を付加した回路とし、共振用スイッチS1と同期してスイッチS2を周期的にオン、オフ制御することにより、AC-DCコンバータだけの単独使用上に生じる課題を解決している。 FIG. 7 shows the main circuit configuration of the AC-DC power supply of the present invention, in which a switch circuit using switch S2 is added between the output of the LC resonance circuit of the AC-DC converter and the load, and By periodically controlling the switch S2 on and off in synchronization with the switch S1, the problems that arise when only the AC-DC converter is used alone are solved.
図8は、本発明によるAC-DC電源のスイッチング動作を示しており、AC-DCコンバータのソフトスイッチング用スイッチS1と改善用付加回路のスイッチS2のスイッチングタイミングと、これらスイッチングによる共振回路電流irと共振キャパシタCrからの電流id0とフリーフォイーリングダイオードD3の電流も含むインダクタLdへ流れる電流の波形idを示している。 FIG. 8 shows the switching operation of the AC-DC power supply according to the present invention, and shows the switching timing of the soft switching switch S1 of the AC-DC converter and the switch S2 of the additional circuit for improvement, and the resonance circuit current ir due to these switchings. It shows the waveform id of the current flowing to the inductor Ld, which also includes the current i d0 from the resonant capacitor Cr and the current of the free-wheeling diode D3.
ここで、スイッチS1は、ほぼLC共振周期(Tw1)だけオンとした後、オフし、周期Tsでスイッチングを繰り返すことで、零電流ソフトスイッチング動作をしながら、全波整流出力電圧波形の振幅変化に比例した共振電流irを流しており、このスイッチS1のオフ期間に同期してスイッチS2を短期間(Tw2)オンすることで、共振電流により充電される共振キャパシタCrの電圧vrの振幅にほぼ比例した電流idを流す動作を繰り返す動作となっている。 Here, the switch S1 is turned on for approximately the LC resonance period (Tw1), then turned off, and repeats switching at the period Ts, thereby performing a zero current soft switching operation and changing the amplitude of the full-wave rectified output voltage waveform. By turning on the switch S2 for a short period of time (Tw2) in synchronization with the off period of the switch S1, the amplitude of the voltage vr of the resonant capacitor Cr charged by the resonant current is approximately equal to that of the voltage vr. The operation is to repeat the operation of flowing a proportional current id.
なお、インダクタLdに流れる電流は、スイッチS2のオン期間Tw2を長くしても共振キャパシタの電圧vrが零になっている期間は電流は上昇せず、回路損失が無ければほぼ一定の電流が流れ、スイッチS2をオフしたときに負荷の平滑キャパシタ電圧によって電流idは急激に減少して零電流となる。 Note that even if the on-period Tw2 of the switch S2 is lengthened, the current flowing through the inductor Ld will not increase during the period when the voltage vr of the resonant capacitor is zero, and if there is no circuit loss, the current will flow at an almost constant level. When the switch S2 is turned off, the current id rapidly decreases to zero current due to the voltage of the smoothing capacitor of the load.
したがって、スイッチS1のオフ期間(Ts-Tw1)は、スイッチS2のオン、オフ期間を合わせて電流idが零に戻るまでの期間を確保する必要がある。 Therefore, the off period (Ts-Tw1) of the switch S1 needs to be a period until the current id returns to zero, including the on and off periods of the switch S2.
以上の電流id制御は、PFCコンバータの不連続モード動作と類似した電流制御を行い、共振電流irと電流id0が相補的に短期間で電流制御することから、共振用インダクタLrと同程度の小さな値のインダクタLdとすることが必要である。
The current id control described above performs current control similar to the discontinuous mode operation of a PFC converter, and the resonant current ir and current id0 are complementary and perform current control in a short period of time. It is necessary to set the inductor Ld to a certain value.
図9は、以上のスイッチング動作を交流電源周期間で示したものであり、負荷に平滑用キャパシタが接続された起電力源を含む負荷が接続された時においても、図9に示す回路とS1とS2のスイッチング動作により、共振電流irと電流id0はスイッチング周期単位で同期してほぼ同じ平均電流で流すことができ、フィルタ回路を通した交流電流波形を電源電圧波形と同じ正弦波に制御することができる。 FIG. 9 shows the above switching operation in terms of the AC power supply cycle period. Even when a load including an electromotive force source connected to a smoothing capacitor is connected to the load, the circuit shown in FIG. By the switching operation of S2 and S2, the resonant current ir and current id0 can be synchronized in each switching cycle and flow at almost the same average current, and the alternating current waveform passing through the filter circuit can be controlled to be the same sine wave as the power supply voltage waveform. be able to.
そして、直流出力電圧は、正弦波の交流電源からソフトスイッチング制御スイッチS1のスイッチング周期Tsを制御することにより連続的に制御でき、単相システムにおいては、同図に示すように交流電源電流iaが正弦波状としながら直流電圧voあるいは直流電流ioは、時間変化しない一定の波形とできる、出力一定の直流安定化電源としても動作させることができる。 Then, the DC output voltage can be continuously controlled by controlling the switching period Ts of the soft switching control switch S1 from the sine wave AC power supply, and in a single-phase system, the AC power supply current ia is Although the DC voltage vo or the DC current io has a sinusoidal waveform, the DC voltage vo or the DC current io can have a constant waveform that does not change over time, and it can also be operated as a DC stabilized power source with a constant output.
また、三相システムでは、直流出力電圧は、スイッチS1のスイッチング周期Tsを制御することにより連続的に制御でき、三相交流電源電流は三相全波整流回路の直流出力電圧波形に比例した120通電区間の波形となるので、電流波形は正弦波とならないが、基本波力率は1で働かせることができる。 In addition, in a three-phase system, the DC output voltage can be continuously controlled by controlling the switching period Ts of the switch S1, and the three-phase AC power supply current is 120% proportional to the DC output voltage waveform of the three-phase full-wave rectifier circuit. Although the current waveform is not a sine wave because it is a waveform in the energized section, it can be operated with a fundamental wave power factor of 1.
さらに、本発明によるスイッチS2の信号は、スイッチS1と同期して一定のパルス場で制御できるために制御回路構成が、正弦波の電流基準波形や、波形制御のための電流検出回路およびこれらの瞬時値比較制御などの複雑な制御回路を必要とする一般のPFCコンバータと比べて、極めて簡単に構成できる。 Further, since the signal of the switch S2 according to the present invention can be controlled with a constant pulse field in synchronization with the switch S1, the control circuit configuration can be configured using a sine wave current reference waveform, a current detection circuit for waveform control, and the like. Compared to a general PFC converter that requires a complicated control circuit such as instantaneous value comparison control, it can be configured extremely easily.
本発明を実施する上で、図7に示すAC-DC電源の主回路構成に対して、スイッチS1とスイッチS2に対するドライブ回路の簡単化ができればさらに望ましい実施形態となる。 In carrying out the present invention, it would be a more desirable embodiment if the drive circuit for the switch S1 and the switch S2 could be simplified with respect to the main circuit configuration of the AC-DC power supply shown in FIG.
本発明のAC-DC電源の基本回路構成である図7において、AC-DCコンバータ回路において、LC共振周期にほぼ等しい期間(Tw1)オンさせることにより、零電流でオンオフ制御した後のスイッチオフ期間に波形改善用スイッチS2を短期間(Tw2)だけオンすることで必要な電流制御ができるので、スイッチS1とスイッチS2は、直列接続することができる。 In FIG. 7, which shows the basic circuit configuration of the AC-DC power supply of the present invention, in the AC-DC converter circuit, the switch-off period after on-off control with zero current is achieved by turning on the AC-DC converter circuit for a period (Tw1) approximately equal to the LC resonance period. Since the necessary current control can be achieved by turning on the waveform improvement switch S2 for a short period of time (Tw2), the switches S1 and S2 can be connected in series.
図10は、図7におけるスイッチS2をスイッチS1の出力端からダイオードD3を介すると共に、電流制御インダクタLdの出力からダイオードD5を介してスイッチS2を接続する構成により、スイッチS1とスイッチS2を直列接続した主回路構成例であり、回路動作に影響することなく、同じスイッチング制御が実現できるようにしたAC-DC電源としての主回路構成例を示している。 FIG. 10 shows a configuration in which switch S2 in FIG. 7 is connected from the output end of switch S1 through diode D3, and from the output of current control inductor Ld through diode D5, so that switch S1 and switch S2 are connected in series. This is an example of the main circuit configuration as an AC-DC power source that can realize the same switching control without affecting the circuit operation.
また、図11は、スイッチおよびインダクタの配置を変えることにより、新たなダイオードを付加することなく、二組のスイッチ回路を直列に接続する回路構成例であり、同図(a)は、スイッチS1とスイッチS2を直列接続した構成例、同図(b)は、スイッチS2とスイッチS1を直列接続した主回路構成例である。 Moreover, FIG. 11 is an example of a circuit configuration in which two sets of switch circuits are connected in series by changing the arrangement of switches and inductors without adding a new diode. FIG. 3(b) is an example of a main circuit configuration in which the switch S2 and the switch S1 are connected in series.
なお、スイッチS1の直列ダイオードD1は、回路の接続位置を変えているだけで、回路としてスイッチS1に直列に接続しているが、全波整流回路の直流出力端にスイッチS1を直接接続する場合は、回路図上からは全波整流回路のダイオードで兼用できるが、スイッチS1のスイッチング周波数が高いので兼用するためには、高速ダイオードを用いる必要がある。 Note that the series diode D1 of the switch S1 is connected in series to the switch S1 as a circuit by simply changing the connection position of the circuit, but when the switch S1 is directly connected to the DC output end of the full-wave rectifier circuit. From the circuit diagram, it is possible to use a diode in the full-wave rectifier circuit, but since the switching frequency of the switch S1 is high, it is necessary to use a high-speed diode in order to use the switch S1 for the same purpose.
ここで、共振パルス電流irに対するフィルタ回路としては、図10に示すように単相全波整流回路の交流側に配置するケースだけでなく、単相全波整流回路の直流側あるいはフィルタ用インダクタを単相全波整流回路の交流側に、キャパシタを直流側に配置することもできる。 Here, as a filter circuit for the resonant pulse current ir, in addition to the case where it is placed on the AC side of a single-phase full-wave rectifier circuit as shown in Fig. 10, it is also possible to use a filter circuit on the DC side of a single-phase full-wave rectifier circuit or a filter inductor. It is also possible to arrange a capacitor on the AC side of the single-phase full-wave rectifier circuit and on the DC side.
図12は、以上をもとに本発明のAC-DCコンバータ電源の実施形態として、図10に示した主回路構成例に対するスイッチング制御システムの構成例を示している。 Based on the above, FIG. 12 shows a configuration example of a switching control system for the main circuit configuration example shown in FIG. 10 as an embodiment of the AC-DC converter power supply of the present invention.
LC共振回路定数に対応してスイッチS1のオン期間Tw1とスイッチS1がオフと同時にスイッチ切り換え時の素子間の短絡を防ぐデッドタイムを挟んでスイッチS2を期間Tw2だけオンする信号を発生させるだけの極めて簡単に制御システムを構成することができると共に、スイッチS1とスイッチS2は相補的にオンオフ制御できるので、チャージポンプ動作も可能となり、ドライブ回路の簡単化も達成することができる。 The ON period Tw1 of the switch S1 corresponds to the LC resonant circuit constant, and at the same time when the switch S1 is turned off, a signal is generated that turns on the switch S2 for a period Tw2 with a dead time to prevent a short circuit between elements at the time of switching. The control system can be configured extremely easily, and since the switches S1 and S2 can be controlled to be on/off in a complementary manner, charge pump operation is also possible, and the drive circuit can be simplified.
また、同図において前記直流負荷回路の出力電圧あるいは出力電流を検出し、それらの基準値と比較制御した量で、第一のスイッチ回路のスイッチング周期Ts(=1/fs)を設定することで、直流電圧一定制御あるいは直流電流一定制御システムを構築することができる。 In addition, in the same figure, the output voltage or output current of the DC load circuit is detected, and the switching period Ts (=1/fs) of the first switch circuit is set by the controlled amount compared with the reference value. , it is possible to construct a constant DC voltage control or constant DC current control system.
図13は、三相電源に対する本発明のAC-DC電源の主回路構成を示しており、単相の主回路構成に対して、単相全波整流回路を三相全波整流回路に置き換えるだけで容易に構成できるが、共振パルス電流irに対するフィルタ回路としては、主回路構成の簡単化のため直流回路側に配置している例を示している。 Figure 13 shows the main circuit configuration of the AC-DC power supply of the present invention for a three-phase power supply, and for a single-phase main circuit configuration, the single-phase full-wave rectifier circuit is simply replaced with a three-phase full-wave rectifier circuit. However, in order to simplify the main circuit configuration, the filter circuit for the resonant pulse current ir is arranged on the DC circuit side.
以下に、本発明のAC-DC電源のソフトスイッチング動作や負荷端に抵抗負荷から平滑用コンデンサや等価起電力源を含むLED負荷などが接続されたときの電流波形制御効果、出力制御特性等の基本動作特性をシミュレーション解析により確認する。
The following describes the soft switching operation of the AC-DC power supply of the present invention, the current waveform control effect, output control characteristics, etc. when a resistive load, a smoothing capacitor, an LED load including an equivalent electromotive force source, etc. are connected to the load end. Confirm basic operating characteristics through simulation analysis.
図14は、本発明の単相AC-DC電源のシミュレーション回路であり、シミュレーション解析で用いた回路定数ならびに動作条件を示している。 FIG. 14 is a simulation circuit of a single-phase AC-DC power supply according to the present invention, and shows circuit constants and operating conditions used in simulation analysis.
本発明の単相AC-DC電源のシミュレーション解析においては、電圧Ea=100V,周波数fa=60Hzの交流電圧を加え、直流負荷には、抵抗負荷R=50ΩとLED負荷(抵抗R=50Ωと電圧EB=VF==100Vの等価起電力源を直列接続)について行った。 In the simulation analysis of the single-phase AC-DC power supply of the present invention, an AC voltage of voltage Ea = 100V and frequency fa = 60Hz is applied, and the DC load is a resistive load R = 50Ω and an LED load (resistance R = 50Ω and voltage Equivalent electromotive force sources of EB=VF==100V are connected in series).
本発明の単相AC-DC電源の回路パラメータとしては、Lr=100uH,Cr=0.18uFからなるLC共振回路に対して、共振周期に対応するパルス幅を15usecとして、スイッチS1のスイッチング周波数fsを20kHzおよび40kHZで行い、電流制御用インダクタンスLdをLrと等しく選び、直流平滑キャパシタCdとしてCd=2000uFを用いた。
1)AC-DCコンバータ動作
As circuit parameters of the single-phase AC-DC power supply of the present invention, for an LC resonant circuit consisting of Lr = 100uH and Cr = 0.18uF, the pulse width corresponding to the resonance period is 15 usec, and the switching frequency fs of switch S1 were conducted at 20 kHz and 40 kHz, the current control inductance Ld was selected equal to Lr, and the DC smoothing capacitor Cd was Cd = 2000 uF.
1) AC-DC converter operation
先ず、ソフトスイッチング制御AC-DCコンバータの基本動作を確認するために、本発明のAC-DC電源において、電流波形改善のための付加回路におけるスイッチS2をオフとし働かさないときのシミュレーション解析結果を示す。 First, in order to confirm the basic operation of the soft switching control AC-DC converter, we will show the simulation analysis results when the switch S2 in the additional circuit for improving the current waveform is turned off and does not work in the AC-DC power supply of the present invention. .
図15は、直流負荷としてR=50Ωの抵抗負荷を接続したときの各部の電圧電流波形であり、同図(b)は同図(a)の波形の最大電流付近の時間軸を拡大したときの波形を示している。 Figure 15 shows the voltage and current waveforms of various parts when a resistive load of R = 50Ω is connected as a DC load, and (b) shows the time axis of the waveform in (a) when the time axis near the maximum current is expanded. The waveform is shown.
同図(b)からは、スイッチS(S1)のスイッチ信号のオン、オフ時点における共振電流irは零になっており、零電流スイッチング動作が確認でき、同図(a)からは白熱電球など抵抗負荷が接続されている場合は、正弦波の交流電流iaが流れることが確認できる。 From the same figure (b), the resonant current ir when the switch signal of the switch S (S1) is turned on and off is zero, confirming the zero current switching operation. When a resistive load is connected, it can be confirmed that a sinusoidal alternating current ia flows.
図16は、等価起電力源が含まれる負荷を接続したときの動作波形を示しており、同図(a)は、LEDの等価負荷として、R=50ΩとEB=100Vが直列接続されたとき、同図(b)は、R=50Ωの抵抗負荷と並列にCd=2000uFの平滑用キャパシタが接続されている負荷に対する解析結果である。 Figure 16 shows the operating waveform when a load containing an equivalent electromotive force source is connected, and (a) in the same figure shows the case where R = 50Ω and E B = 100V are connected in series as the equivalent load of the LED. FIG. 5B shows the analysis results for a load in which a smoothing capacitor of Cd=2000 uF is connected in parallel with a resistive load of R=50Ω.
いずれの場合も、交流電源電流iaは、共振回路キャパシタCrの両端電圧vrが負荷回路の電圧値以上のとき、交流電源の中央付近のみに電流が流れることが確認される。
2)AC-DC電源動作
In either case, it is confirmed that the AC power supply current ia flows only near the center of the AC power supply when the voltage vr across the resonant circuit capacitor Cr is equal to or higher than the voltage value of the load circuit.
2) AC-DC power supply operation
図17は、直流負荷として等価起電力源が含まれるLED負荷に平滑用キャパシタが接続されたとき、電流波形改善のための付加回路のスイッチS2によるスイッチング動作の有無によるAC-DC電源の制御動作波形の比較を示している。 FIG. 17 shows the control operation of the AC-DC power supply depending on the presence or absence of switching operation by switch S2 of the additional circuit for improving the current waveform when a smoothing capacitor is connected to an LED load that includes an equivalent electromotive force source as a DC load. Shows a comparison of waveforms.
同図(a)は、スイッチS2による制御をかけない場合、同図(b)は制御をかけた時の動作波形であり、制御により直流出力電圧voも高くなり、交流電流波形iaが正弦波に改善できていることが確認できる。 Figure (a) shows the operating waveforms when the switch S2 is not controlled, and Figure (b) shows the operating waveforms when the control is applied. Due to the control, the DC output voltage vo also increases, and the AC current waveform ia becomes a sine wave. It can be confirmed that improvements have been made.
次に、図18は、共振制御スイッチS1のオン期間(Tw1=15usec)は一定のもと、スイッチング周波数fsを40kHzとしたときの解析結果を示している。 Next, FIG. 18 shows the analysis results when the switching frequency fs is set to 40 kHz while the on period (Tw1 = 15 usec) of the resonance control switch S1 is constant.
同図(b)は、同図(a)の波形の最大電流付近の時間軸を拡大したときの波形を示しているが、共振電流ir似対してスイッチS2により電流idが制御されることにより、正弦波状の交流電流波形iaが確認できる。 Figure (b) shows the waveform when the time axis near the maximum current of the waveform in figure (a) is expanded. , a sinusoidal alternating current waveform ia can be confirmed.
これに対して、図19は、スイッチング周波数fsを20kHzに下げたときの同様の動作波形結果が得られているが、図18の結果と比較して周波数を下げることにより直流出力電圧voが低下し、負荷電流ioも下がり、交流電流波形iaの大きさも近く制御できていることが確認できる。 On the other hand, in FIG. 19, similar operating waveform results are obtained when the switching frequency fs is lowered to 20 kHz, but compared to the results in FIG. 18, the DC output voltage vo is lowered by lowering the frequency. However, the load current io also decreases, and it can be confirmed that the magnitude of the alternating current waveform ia can be nearly controlled.
以上により、本発明のAC-DC電源では直流出力電圧の脈動がない一定の直流電圧制御出力が得られ、交流電流波形は正弦波に制御できることが分かる。 From the above, it can be seen that in the AC-DC power supply of the present invention, a constant DC voltage control output without pulsation in the DC output voltage can be obtained, and the AC current waveform can be controlled to a sine wave.
図20は、本発明のAC-DC電源の共振用スイッチS1と波形改善用付加回路のスイッチS2のスイッチ信号と電流波形をスイッチング周波数fsが40kHzと20kHzの場合の時間軸を拡大表示した波形である。 FIG. 20 shows switch signals and current waveforms of the resonance switch S1 of the AC-DC power supply of the present invention and the switch S2 of the waveform improvement additional circuit when the switching frequency fs is 40 kHz and 20 kHz, with the time axis enlarged. be.
スイッチS1は、スイッチ信号と共振電流波形から、共振電流が零のときにスイッチ動作となっており、ソフトスイッチング動作が確認されるが、電流波形改善負荷回路の電流idが、低い値のときにスイッチS2がオンすることによって電流値が上昇しており、スイッチS2がオン時点でもほぼ零電流スイッチに近い状態でスイッチできることが確認できる。 According to the switch signal and the resonant current waveform, the switch S1 operates as a switch when the resonant current is zero, confirming soft switching operation, but when the current id of the current waveform improvement load circuit is a low value. It can be confirmed that the current value increases when the switch S2 is turned on, and that even when the switch S2 is turned on, it can be switched in a state close to a zero current switch.
スイッチS2のオフ時点で、スイッチに流れていたインダクタLdの電流idは負荷の平滑キャパシタCdに転流できるスナバ動作としてスイッチ制御でき、ノイズの抑制効果が期待できる。
When the switch S2 is turned off, the current id of the inductor Ld flowing through the switch can be controlled as a snubber operation in which the current id flowing through the switch can be commutated to the smoothing capacitor Cd of the load, and a noise suppressing effect can be expected.
図21は、本発明のAC-DC電源の三相システムにおける動作確認を行ったシミュレーション回路であり、シミュレーション解析で用いた回路定数ならびに動作条件を示している。 FIG. 21 is a simulation circuit for confirming the operation of the AC-DC power supply in the three-phase system of the present invention, and shows the circuit constants and operating conditions used in the simulation analysis.
三相AC-DC電源のシミュレーション解析においては、上述した単相AC-DC電源の単相電源を三相電源とし、三相電源の線間電圧Ea=200V、周波数fa=60Hzの交流電圧を加え、三相全波整流回路とLCフィルタ回路を介して、単相の場合と同じ回路パラメータで等価LED負荷(R=50Ω、EB=100V)を接続して行った。
・ AC-DCコンバータ動作
In the simulation analysis of the three-phase AC-DC power supply, the single-phase power supply of the single-phase AC-DC power supply mentioned above was used as a three-phase power supply, and an AC voltage with a line voltage Ea = 200V and a frequency fa = 60Hz of the three-phase power supply was added. , an equivalent LED load (R=50Ω, EB=100V) was connected via a three-phase full-wave rectifier circuit and an LC filter circuit with the same circuit parameters as in the single-phase case.
・AC-DC converter operation
図22は、AC-DC電源回路でスイッチS2をオフ状態にしたときのシミュレーション解析結果であり、三相全波整流回路の波形が平滑キャパシタの電圧以上のときのみ流れるため、交流電流波形は120度通流幅の電流に不連続区間が生じていることが分かる。
・ AC-DC電源動作
FIG. 22 shows the simulation analysis results when the switch S2 is turned off in the AC-DC power supply circuit. Since the waveform of the three-phase full-wave rectifier circuit flows only when the voltage is higher than the voltage of the smoothing capacitor, the AC current waveform is 120 It can be seen that a discontinuous section occurs in the current with a width of 100 degrees.
・AC-DC power supply operation
図23は、LC共振期間とほぼ等しい期間(Tw1=15usec))で、オンさせていたスイッチS1がオフした後、スイッチS2を短期間(Tw2=5usec)オンした時の動作波形であり、同図(b)に時間軸拡大波形からスイッチS1による電流irとスイッチS2による電流idの電流制御の結果、同図(a)にみられるように、120度通流幅の交流電流波形iaが流れていることが確認できる。 FIG. 23 shows the operating waveforms when switch S2 is turned on for a short period of time (Tw2 = 5 usec) after switch S1, which had been turned on, is turned off for a period approximately equal to the LC resonance period (Tw1 = 15 usec). Figure (b) shows the time axis enlarged waveform. As a result of current control of current ir by switch S1 and current id by switch S2, an alternating current waveform ia with a 120 degree conduction width flows as shown in figure (a). It can be confirmed that
図24は、スイッチング周波数fsを20kHzとした時の動作波形であり、直流出力電圧voは単相の場合と同様にスイッチング周波数fsによって低下しており、制御効果が確認できる。 FIG. 24 shows operating waveforms when the switching frequency fs is 20 kHz, and the DC output voltage vo decreases with the switching frequency fs as in the single-phase case, and the control effect can be confirmed.
本発明のAC-DC電源は、降圧動作と昇圧動作が組み合わさって動作するため、LED照明用電源として用いた場合、単相システム、三相システムいずれの場合においても、直列接続されたLEDの順方向電圧降下の変動に応じて、また交流電源電圧の変動に応じて直流出力電圧が広範に変化し、一方で交流電源電流は、単相システムでは正弦波に、三相システムでは120度通流幅の振幅変調された波形となることが確認できている。 The AC-DC power supply of the present invention operates in a combination of step-down and step-up operations, so when used as a power supply for LED lighting, it can be used to power LEDs connected in series in both single-phase and three-phase systems. The DC output voltage varies over a wide range as the forward voltage drop varies and as the AC supply voltage varies, while the AC supply current varies sinusoidally in single-phase systems and 120 degrees in three-phase systems. It has been confirmed that the waveform has amplitude modulation of the flow width.
以上のように、本発明のAC-DC電源は、ソフトスイッチング制御によっているため、スイッチング損失の低減、スイッチングノイズの低減に有効で、流入電流波形に優れた直流電源として幅広い分野での適用が期待できるものと思われる。
As described above, since the AC-DC power supply of the present invention uses soft switching control, it is effective in reducing switching loss and switching noise, and is expected to be applied in a wide range of fields as a DC power supply with excellent inflow current waveforms. It seems possible.
100 … 交流電源
200 … AC-DC電源の主回路
210 … 共振電流に対するLCフィルタ
220 … ダイオードブリッジ整流回路
230 … 共振スイッチ回路
230-2 …共振スイッチと波形改善スイッチによるスイッチ回路
240 … 逆充電防止用ダイオード付きLC共振回路
250 … 出力側LC回路
250-2 …波形改善スイッチ回路を含む出力側LC回路
250-3 …ダイオードスイッチ回路を含む出力側LC回路
300 … 直流負荷
300-2…抵抗負荷
300-3…LEDの順方向電圧降下等価電圧源を含む抵抗負荷
400 …制御信号発生回路
100 ...
Claims (4)
前記第一の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、直流出力電圧を制御するに必要なオフ期間を含む一定の周期で周期的にスイッチング動作を繰り返して、前記LC共振回路に流れる共振電流が零電流あるいは零電流に近い値のときに、前記第一のスイッチ回路をスイッチング制御することによりスイッチング損失の低減やスイッチングノイズの発生を低減し、前記スイッチング周波数を変えることにより、前記交流電源の電圧波形の絶対値波形に比例した前記共振電流のパルス列の間隔を変えて、前記平滑用キャパタCdにより平滑された直流出力電圧の大きさ変えると共に
前記第二のスイッチ回路を前記第一のスイッチ回路の周期的なオンオフ制御のオフ期間内に、同期して一定の期間オンしてオフすることにより、前記インダクタLdに流れ出る電流を制御し、前記第一のスイッチに流れるパルス列の前記共振電流をLCフィルタ回路に通すことにより、前記直流負荷回路の負荷回路状態に係わらず、前記交流電源からの交流電流波形に比例した波形に制御することを特徴とするAC-DC電源。 A full-wave rectifier circuit is connected to an AC power supply, and a first switch circuit is connected to the DC output terminal side of the full-wave rectifier circuit through a first diode with a resonant inductor Lr and a resonant capacitor Cr with a reverse charge prevention diode. A second switch is connected to the resonant capacitor Cr via an inductor Ld and a second diode, and a smoothing capacitor Cd is connected to the resonant capacitor Cr through an inductor Ld and a second diode. In an AC-DC conversion circuit that connects a circuit to the other end of the resonant capacitor Cr, and connects a DC load circuit to both ends of the smoothing capacitor Cd,
After the first switch circuit is turned on for a certain period determined by the resonance period of the LC resonant circuit or a period that is an integral multiple thereof, the first switch circuit is switched periodically at a certain period including an off period necessary to control the DC output voltage. By repeating the operation and controlling the switching of the first switch circuit when the resonant current flowing through the LC resonant circuit is zero current or a value close to zero current, the switching loss is reduced and the generation of switching noise is reduced. By changing the switching frequency, the interval of the pulse train of the resonant current proportional to the absolute value waveform of the voltage waveform of the AC power source is changed, and the magnitude of the DC output voltage smoothed by the smoothing capacitor Cd is changed. The current flowing into the inductor Ld is controlled by synchronously turning on and off the second switch circuit for a certain period of time during the off period of the periodic on/off control of the first switch circuit, and controlling the current flowing into the inductor Ld. By passing the resonant current of the pulse train flowing through the first switch through an LC filter circuit, the waveform is controlled to be proportional to the AC current waveform from the AC power source, regardless of the load circuit state of the DC load circuit. AC-DC power supply.
前記第一のスイッチ回路と前記第二のスイッチ回路の二組のスイッチ回路間で、ドライブ電源のブートストラップ充電を可能として、前記二組のスイッチ回路のドライブ回路構成が簡単化できることを特徴とするAC-DC電源。 The AC-DC power supply according to claim 1, wherein the first switch circuit and the second switch circuit are connected in series without affecting circuit operation, or the second switch circuit and the first switch are connected in series. By using a main circuit configuration in which circuits are connected in series,
The drive circuit configuration of the two sets of switch circuits can be simplified by enabling bootstrap charging of the drive power supply between the two sets of switch circuits, the first switch circuit and the second switch circuit. AC-DC power supply.
5. The AC-DC power supply according to claim 1, wherein the first control amount is a comparison control amount between a reference value of the DC output voltage or DC output current to be set and a detected amount of the DC output voltage or DC output current of the DC load circuit. An AC-DC power supply characterized in that the DC output voltage or DC output current of the DC load circuit can be controlled by controlling the switching frequency of the switch circuit.
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