CN102396143A - 直流电源装置和应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种除去来自交流电源的直流成分的直流电源装置和使用该直流电源装置的应用系统。直流电源装置将交流电压转换为直流电压并输出，具有：使交流电源(1)通过电抗器(2)短路的开关元件(302、312)；检测从交流电源流入的电流并作为电流信息输出的电流检测部(3)；和进行开关元件的开关驱动以使由电流检测部检测出的电流信息表示的电流的波形成为大致正弦波状的控制部(8)，其中控制部，抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分，根据所抽取的交流电源频率成分，对开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。

Description

直流电源装置和应用系统

技术领域

本发明涉及对交流电源的输出整流并直流化，对负载供给电力的直流电源装置，和使用了直流电源装置的应用系统。

背景技术

现有的直流电源装置，采用了即使在交流电压的瞬时电压较低的期间中也流过交流电流的电路结构。例如，现有的直流电源装置，如图1所示，将来自交流电源1的输出，经由电抗器2和由作为半导体开关的开关元件302、312和二极管303、304、313、314构成的电桥电路，转换为直流电力，用电容器4使其平滑，对负载5供给直流电力。直流电源装置，通过交流电压波形检测器7、电流检测器3和直流电压检测器6，分别检测交流电压、交流电流和直流电压。直流电源装置，基于检测出的各值，生成对开关元件302、312的驱动信号，驱动控制开关元件302、312，以使直流电压成为所要求的值，并且使从交流电源流过的交流电流成为与交流电压的波形相似的波形(即正弦波)。

作为检测交流电流的电流检测器3，能够使用简易的交流变流器(例如，电流互感器)。但是，交流变流器，如图13所示，因为具有在电源频率以下灵敏度差的频率特性，所以不能再现瞬时的电流波形。此外，电流波形的控制从交流电压的单侧的相开始，而控制开始时电流是非对称的，所以必然包含直流成分。但是，用交流变流器检测出的波形是除去了直流成分后的。由此，即使电流波形控制是稳定的，在实际的电流中也会残留直流成分。当来自交流电源的电流和电力中包含直流成分时，会导致电力系统中的变压器等的损耗增加等异常。

为了检测直流电流，需要使用了霍尔元件的电流传感器，或检测串联插入到电路的电阻两端的电位差的结构等。但是，使用霍尔元件等的电流传感器，需要在内部具有温度修正等的精密电路，较为高价。此外，在使用电阻插入的方法的情况下，因为电流会流过电阻，所以会发生损耗并且电阻会发热。此外，难以进行电阻与控制电路的绝缘。

专利文献1中公开了不使用电流传感器或电阻插入的方法，而使用交流变流器来降低驱动信号所含的直流成分的方法。如图14的控制框线图所示，专利文献1中记载的直流电源装置，用比较器101对直流电压指令和从功率电路107得到的实际的直流电压进行比较，将比较结果(即电压偏差)经由电压系统补偿运算部102发送到乘法电路103。乘法电路103，将表示瞬时的交流电压信息的值与表示基于电压偏差的信息的值相乘，将其结果作为瞬时电流指令发送到比较器104。即，直流电源装置，通过用基于电压偏差的信息对瞬时交流电压波形进行调制，得到与瞬时交流电压波形相同波形的瞬时电流指令。比较器104对瞬时电流指令和从功率电路107经由电流检测用的变流器得到的瞬时电流信息进行比较。比较器104的结果(即电流偏差)，经由电流系统补偿运算部105和直流成分除去电路801，作为驱动信号发送到功率电路107。驱动功率电路107的结果，得到瞬时电流和直流电压。将得到的瞬时电流反馈到比较器104，将得到的直流电压反馈到比较器101，由此构成反馈控制循环。专利文献1的直流电源装置，在功率电路107之前设置直流成分除去电路801，通过用直流成分除去电路801将直流成分从给予功率电路107的驱动信号中除去，而极力减少交流电流所含的直流成分。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-359976号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，即使如专利文献1一般，从驱动信号中除去直流成分，也不一定能够完全除去交流电流中的直流成分。例如，如果图1所示的2个开关元件302、312的特性不同，则交流电源的正相和负相的电流的流动方式不同，来自交流电源的流入电流中会混入直流成分。此外，交流电压波形中存在畸变时，即使除去驱动信号的直流成分，从电源流入的电力的直流成分也不一定为零。在不能够完全除去交流电流中的直流成分的情况下，会发生交流电力系统的损耗增加等异常。

进而，专利文献1中记载的控制，只能够应用于将如图1所示的串联连接的2个开关元件302、312对于直流输出并联配置，互补地开关该开关元件302、312的直流电源装置的情况。

在如图1所示的电源装置的情况下，驱动2个开关元件302、312时，实际上为了不使直流输出短路，需要防止2个开关元件302、312同时接通。一般而言，IGBT等开关元件的接通(ON)速度和断开(OFF)速度不同的情况较多，进而断开速度较慢的情况较多。因此，延长各开关元件302、312的断开期间，设置双方的开光元件都断开的期间。由此，对于开关元件302、312的驱动信号与开光元件302、312的实际开关状态会产生误差，产生波形的畸变。开关频率越高则该畸变为越大的值，是使电抗器小型化时的障碍之一。此外，在因外来噪声等而以误动作同时接通的情况下，需要用于使电路安全停止的保护电路。

作为避免在如图1所示的直流电源装置的情况下产生的上述问题的电路结构，例如有如图5、图7和图8所示的直流电源装置。图5所示的直流电源装置，具有用双向开关元件401使交流电源1与电抗器2短路的结构。图7所示的直流电源装置，具有在用二极管605、606、615、616整流之后用开关元件603使交流电源1与电抗器2短路的电路结构。图8所示的直流电源装置，具有经由电抗器2a、2b用开关元件702、712和二极管703、713使交流电源1短路的电路结构。图5、图7和图8所示的直流电源装置的情况，能够统一地实现对于开关元件的开关的驱动信号。因此，在任意一个情况下，都不需要考虑直流侧的短路。

在这些电路结构中，驱动信号的开关比率，稳定下成为近似于下式的值。

“接通比率”≒1-“交流电压的瞬时值的绝对值”/“直流输出电压”

根据该式，接通比率大致由交流电压和直流输出电压决定，所以可知如专利文献1所述，除去该结果的直流成分的单元没有意义。因此，如图5、图7和图8所示的直流电源装置的情况，为了除去直流成分，需要与专利文献1不同的方法。

如上所述，现有的控制中，存在因为受到交流电源电压的畸变的影响等，不能完全除去从交流电源流入的直流成分，而发生交流电力系统的损耗增加等异常的问题。此外，现有的控制中，存在能够应用的开关元件及其驱动信号的数量和结构受到限制的问题。

本发明是解决上述现有课题的，目的在于提供一种防止交流电力系统的损耗增加等异常发生的直流电源装置和使用该直流电源装置的应用系统。具体而言，目的在于提供一种能够与开关元件及其驱动信号的数量和结构无关地应用，且不受到交流电源电压的畸变的影响地，能够除去从交流电源流入的直流成分的直流电源装置和使用该直流电源装置的应用系统。

用于解决课题的方法

为了解决上述现有课题，本发明的直流电源装置，是一种将交流电压转换为直流电压并输出的直流电源装置，其特征在于，包括：使交流电源通过电抗器短路的开关元件；检测从交流电源流入的电流，作为电流信息输出的电流检测部；和进行开关元件的开关驱动以使由电流检测部检测出的电流信息表示的电流的波形成为大致正弦波状的控制部，其中控制部，抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分，根据所抽取的交流电源频率成分对开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。

在交流电源仅在一方的极性时电流较多的情况下，该相的时刻下直流电压会上升，在直流电压中会出现与电源频率相同的频率成分。通过抽取该频率成分，根据所抽取的频率成分(例如与频率成分的振幅值成比例地)对开关元件的开关比率进行修正，能够除去来自交流电源的直流成分。由此，能够防止交流电力系统的损耗增加等异常发生。

电流检测部可以是交流变流器。根据本发明的直流电源装置，能够不检测来自交流电源的直流成分，就除去来自交流电源的直流成分。因此，能够使用不能检测直流成分的交流变流器。由此，能够提供廉价的直流电源装置。

也可以控制部，具有用交流变流器的频率特性对交流变流器检测出的电流信息进行修正的频率特性修正部，控制部进行开关元件的开关驱动以使由频率特性修正部修正后的电流信息表示的电流的波形成为大致正弦波状。由此，因为瞬时的电流更加接近正弦波，所以能够进一步改善交流电源的利用效率即功率因数。

控制部也可以在由电流检测部检测出的电流信息或由频率特性修正部修正后的电流信息表示的瞬时值的绝对值超过第一规定电平时，使开关元件的开关停止。

控制部也可以在由电流检测部检测出的电流信息或由频率特性修正部修正后的电流信息表示的瞬时值的绝对值超过比第一规定电平大的第二规定电平时，使开关元件的开关停止。不论是否检测到超过第一规定电平的电流，在电流没有根本性地减少的情况下，通过使装置动作停止，能够防止装置的损伤等。

控制部也可以将由电流检测部检测出的电流信息或由频率特性修正部修正后的电流信息表示的电流值的振幅成分在交流电源的周期以上的期间平均化，在平均化后的值大于第三规定电平的情况下，使输出的直流电压降低。由此，能够进行电源不会因过负荷状态而失效，且交流电源侧不会成为过负荷而屏蔽电源的动作。

本发明的应用系统，具有上述直流电源装置，和由上述直流电源装置的输出驱动的电动机，其特征在于：将由直流电源装置的电流检测部检测出的电流信息表示的电流值的振幅成分在交流电源的周期以上的期间平均化，在平均化后的值大于第四规定电平的情况下，使电动机的转速降低。由此，可以缓和与直流电力输出连接的负载，能够进行直流电源不会失效，且交流电源侧不会成为过负荷而屏蔽电源的动作。

本发明的其他观点的直流电源装置，是一种将交流电压转换为直流电压并输出的直流电源装置，其特征在于，包括：使交流电源通过电抗器短路的开关元件；和进行开关元件的开关驱动以使从交流电源流入的电流成为大致正弦波状的控制部，其中控制部，抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分，根据所抽取的交流电源频率成分，和将预先决定的基本模式或基于交流电压波形的基本模式根据直流电压与目标直流电压的偏差调制后的信号，对开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。由此，能够不检测交流电流而使来自交流电源的直流成分减少。

发明效果

根据本发明，通过抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分、根据所抽取的交流电源频率成分对开关元件的开关驱动时的开关比率进行修正，在从交流电源输出的交流电流中包含直流成分的情况下，能够除去从交流电源流入的直流成分。由此，能够防止交流电力系统的损耗增加等异常。此外，根据本发明，能够不限定开关元件及其驱动信号的个数和结构，而用简便的方法除去从交流电源流入的直流成分。进而，根据本发明，因为检测来自交流电源的交流电力的直流成分，所以也能够应用于电压波形有畸变的情况。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的直流电源装置的电路结构的图。

图2是表示本发明的实施方式1的控制电路的控制流程的框线图。

图3是没有来自交流电源的直流成分时的波形图，(a)表示交流电流，(b)表示整流电流，(c)表示直流电压，(d)表示电源频率成分。

图4是包含了来自交流电源的直流成分时的波形图，(a)表示交流电流，(b)表示整流电流，(c)表示直流电流，(d)表示电源频率成分。

图5是表示本发明的实施方式1的直流电源装置的其他电路结构的图。

图6是表示图5的双向开关的具体结构的电路图，(a)是具有逆并联二极管的IGBT的对接结构的电路图，(b)是逆阻止IGBT的逆并联连接结构的电路图，(c)是用二极管使极性单侧化用IGBT短路的结构的电路图。

图7是表示本发明的实施方式1的直流电源装置的其他电路结构的图。

图8是表示本发明的实施方式1的直流电源装置的其他电路结构的图。

图9是表示本发明的实施方式2的控制电路的控制流程的框线图。

图10是表示图9的频率特性修正电路的特性的图。

图11是表示本发明的实施方式3的控制电路的控制流程的框线图。

图12是表示本发明的实施方式4中的使用了直流电源装置的应用系统的电路结构的图。

图13是表示交流变流器的频率特性的图。

图14是表示现有的直流电源装置中的控制流程的框线图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于这些实施方式。

(实施方式1)

本发明的实施方式1的直流电源装置，对从交流电源流入的交流电流中包含的直流成分，基于输出的直流电压中包含的电源频率成分进行判断，基于该判断结果对开关元件的开关比率进行修正，由此除去从交流电源流入的直流成分。具体而言，直流电源装置抽取输出的直流电压中包含的电源频率成分，基于抽取的电源频率成分的振幅信息，对开关元件的开关比率进行修正。由此，在从交流电源输出的交流电流中包含直流成分的情况下，能够除去从交流电源流入的直流成分。由此，能够防止交流电力系统的损耗增加等异常，并且改善交流电源的功率因数。

1.1直流电源装置的结构

图1表示本发明的实施方式1的直流电源装置。直流电源装置，具有即使在交流电压的瞬时电压较低的期间中也流过交流电流的电路结构。直流电源装置，具有与交流电源1连接的电抗器2、与电抗器2连接的电桥电路和与电桥电路连接的电容器4。电桥电路包括作为半导体开关的开关元件302、312和二极管303、304、313、314。在本实施方式中，开关元件302、312是IGBT。直流电源装置经由电抗器2和电桥电路，将从交流电源1输出的交流电力转换为直流电力。进而，用电容器4使该直流电力平滑，将平滑后的直流电力供给到负载5。

图1所示的直流电源装置，进一步具有控制开关元件302、312的开关的控制电路(控制部)8。控制电路8进行反馈控制以使交流电流成为正弦波。在开关元件302、312，连接有基于来自控制电路8的驱动信号，控制开关元件302、312的栅极电压的栅极驱动电路301、311。直流电源装置进一步具有交流电压波形检测器7、电流检测器3和直流电压检测器6。交流电压波形检测器7检测从交流电源1输出的交流电压。电流检测器3检测从交流电源1输出的交流电流。在本实施方式中，电流检测器3是交流变流器。直流电压检测器6检测由电容器4平滑后的直流电压。控制电路8基于交流电压波形检测器7、电流检测器3和直流电压检测器6的输出，通过驱动开关元件302、312，来进行控制以使输出的直流电压成为所要求的值，并且使来自交流电源1的交流电流成为与交流电压的波形相似的形状(大致正弦波)。

1.2直流电源装置的控制电路的动作

图2表示本发明的控制电路8的信息处理的框线图。图2中，功率电路107是将交流电压转换为直流电压的电路，对应于图1的电抗器2、开关元件302、312、二极管303、304、313、314和电容器4。图2中，功率电路107以外的构成要素(比较器101、电压系统补偿运算部102、乘法电路103、比较器104、电流系统补偿运算部105、修正部106和电源频率成分抽取部108)，表示图1所示的控制电路8的内部结构。

比较器101，对从外部输入的直流电压指令和从功率电路107得到的实际直流电压(图1的直流电压检测器6的输出)进行比较。电压系统补偿运算部102，对比较器101的比较结果(即电压偏差)进行补偿。电压系统补偿运算部102，设置为使电压控制系统稳定且高精度地动作。乘法电路103，将瞬时的交流电压信息(由图1的交流电压波形检测器7检测出的交流电压的信息)表示的值与基于从电压系统补偿运算部102输出的电压偏差的信息表示的值相乘，将该相乘结果作为瞬时电流指令输出。乘法电路103，通过用基于电压偏差的信息对瞬时交流电压波形进行调制，而得到与瞬时交流电压波形相同波形的瞬时电流指令。

比较器104，对从乘法电路103输出的瞬时电流指令和从功率电路107得到的瞬时电流信息(由图1的电流电测器3检测出的电流信息)进行比较，将该比较结果作为电流偏差输出。电流系统补偿运算部105，对从比较器104输出的电流偏差进行补偿，作为驱动信号输出。

功率电路107，由从电流系统补偿运算部105经由修正部106输出的驱动信号驱动。即，图1的开关元件302、312，按照该驱动信号切换接通/断开。通过驱动功率电路107，得到瞬时电流和直流电压。将瞬时电流(由图1的电流检测器3检测出的电流信息)发送到比较器104，将直流电压(由图1的直流电压检测器6检测出的直流电压信息)发送到比较器101，由此构成反馈控制循环。

电源频率成分抽取部108，将驱动功率电路107得到的直流电压得信息输入，抽取直流电压中包含的电源频率成分。修正部106，基于抽取的电源频率成分的振幅信息，对从电流系统补偿运算部105输出的驱动信号进行补偿。在本实施方式中，电源频率成分抽取部108，通过对从功率电路107输出的直流电压(即由平滑电容器4平滑后的支流电压)施加使电源频率成分通过的滤波，而抽取直流电压中包含的电源频率成分。修正部106，在对功率电路107的驱动信号上叠加反方向的直流成分以抵消抽取的电源频率成分。由此，基于抽取的电源频率成分，对开关元件302、312的开关的比率进行修正。

用图3和图4的波形图说明图2的框线图下的控制原理。图3表示没有来自交流电源1的直流成分的情况的波形。另一方面，图4表示包含了来自交流电源1的直流成分的情况的波形。

在没有直流成分时，如图3(a)所示，从交流电源1输出的交流电流，在正方向和负方向上是对称的。该交流电流被整流时，如图3(b)所示，成为具有交流电源1的频率的2倍成分的脉动电流波形。成为脉动电流波形的电流被平滑电容器4平滑时，如图3(c)所示，成为具有交流电源1的频率的2倍成分的直流电压波形。对该波形施加使电源频率成分通过的滤波的结果(即用电源频率成分抽取部108抽取的电源频率成分)，成为图3(d)所示的波形。如图3(d)所示，交流电源中不包含直流成分时，电源频率成分抽取部108不会抽取与电源频率相同频率的成分。在交流电源中不包含直流成分时，转换后的直流电压波形中不包含与电源频率相同频率的成分。由此，不会发生因直流成分而产生的交流电力系统的损耗增加等问题。

另一方面，在交流电流中包含直流成分的情况下，如图4(a)所示，从交流电源1输出的交流电流，具有在正方向和负方向时振幅不同的波形。在该交流电流被整流时，如图4(b)所示，成为振幅交替变化的脉冲电流波形。进而，在该脉冲电流被平滑电容器4平滑时，如图4(c)所示，成为出现了具有与电源频率相同频率成分的起伏的波形。对该波形施加使电源频率成分通过的滤波器的结果(即用电源频率成分抽取部108抽取的电源频率成分)，成为图4(d)所示的波形。如图4(d)所示，从由电源频率成分抽取部108抽取的波形，能够得到具有电源频率成分的信息。像这样，在来自交流电源1的交流电流中包含直流成分时，转换后的直流电压波形中也包含与电源频率相同频率的成分。由此，会发生因直流成分而产生的交流电力系统的损耗增加等问题。

像这样，当交流电流中包含直流成分时，在直流电压中会包含电源频率成分的起伏。基于该现象，在本实施方式中，控制电路8抽取输出的直流电压的电源频率成分，对开关元件302、312的开关进行修正以使电源频率成分的起伏减少。例如，图4(d)所示的电源频率成分，在相位0～π的区间内为正。即，可知交流电压为正方向时电流较多。因此，降低交流电压为正相时的开关元件302、312的接通比率。另一方面，图4(d)所示的电源频率成分，在相位π～2π的区间内为负。由此，可知交流电压为负方向时电流较少。因此，提高交流电压为负相时的开关元件302、312的接通比率。像这样，因为电源频率成分抽取部108的输出的振幅，与从交流电源1输出的电流中包含的直流成分大致成比例，所以修正部106对驱动信号叠加反方向的直流成分以抵消该直流成分。

1.3总结

根据本实施例，控制电路8通过具有基于从功率电路107输出的直流电压而抽取从交流电源1输出的电流中包含的直流成分的电源频率成分抽取部108，和对功率电路107的驱动信号叠加反方向的直流成分以抵消抽取的直流成分的修正部106，而在从交流电源输出的交流电流中包含直流成分的情况下，能够从驱动信号除去该直流成分。具体而言，在来自交流电源1的电流和电力中混入了直流成分的情况下，正相和负相下流入的电力不同，平滑后的直流电压中会出现电源频率的成分。用电源频率成分抽取部108抽取直流电压中包含的电源频率成分，与抽取的相位和振幅相应地，对开关元件302、312的每时每刻的开关比率进行修正，由此不用检测来自交流电源1的直流成分就能够除去该直流成分。由此，能够防止交流电力系统的损耗增加等异常发生。此外，能够减轻对电力系统的负担。进而，能够使电流波形更接近于正弦波。根据本实施方式，因为瞬时的电流更加接近正弦波，所以能够进一步改善交流电源的利用效率即功率因数。根据本实施方式的结构，能够实现不直接检测电源电流的直流成分就除去电源电流的直流成分的反馈控制系统。即，因为能够使用交流变流器除去电源电流的直流成分，所以能够实现廉价的直流电源装置。根据本实施方式，因为检测来自交流电源的交流电力的直流成分，所以也能够应用于电压波形畸变的情况。即，能够不受到交流电源电压的畸变的影响地，除去从交流电源流入的直流成分。像这样，根据本实施方式，能够用简单的结构，除去直流成分的流入，实现高功率因数。

1.4变形例

此外，本实施方式中，修正部106基于抽取的电源频率成分的振幅信息，对驱动信号叠加反方向的直流成分以抵消直流成分，但是修正部106也可以以一定值为基准，通过对该一定值加上或减去与电压误差和电源频率成分成比例的值，由此对驱动信号进行修正。即，也可以以一定值为基准，生成对该一定值加上或减去与电压误差和电源频率成分成比例的值的修正模式。此外，修正部106也可以将驱动信号设定为根据直流电压指令和交流电压的瞬时电压决定的功率电路107的驱动信号的信息，且为与电压误差和电源频率成分联动地增减的值。即，也可以按值与电压误差和电源频率成分联动地增减的方式生成修正模式。

在后者的情况下，修正部106用以下关系式(函数模式)设定作为功率电路107的驱动信号的开光元件302、312的接通比率。

“接通比率”＝1-“交流电压的瞬时值的绝对值”/“直流电压指令”

此外，在本实施方式中，电源频率成分抽取部108，使用使电源频率成分通过的滤波器，抽取直流电压中包含的电源频率成分。但是，电源频率成分的抽取方法并不限定于本实施方式。只要是可以得知电源频率成分的大小(振幅)和极性的方法，也可以应用其他方法。例如，电源频率成分抽取部108，也可以逐次输入交流电源1的(3/4)π、(7/4)π、(11/4)π、(15/4)π……的相位下的直流电压值，求出交替的输入值的差异，抽取电源频率成分。此外，电源频率成分抽取部108，也可以逐次输入交流电源1的(1/4)、(5/4)、(9/4)、(13/4)π……的相位下的直流电压值，求出交替的输入值的差异，抽取电源频率成分。

此外，在本实施方式中，具有图2所示的内部结构的控制电路8，应用于具有图1所示的电路结构的直流电源装置，但控制电路8能够应用的直流电源装置的结构并不限定于图1。例如，具有图5、图7和图8所示的电路结构的直流电源装置，也能够应用本实施方式的控制电路8。

图5表示直流电源装置的其他电路结构。图5中，对于与图1相同的构成元件，附加相同的符号并省略详细说明。图5所示的直流电源装置，具有用电抗器2和双向开关401使交流电源1短路的结构。双向开关401的具体结构在图6(a)～(c)中表示。作为双向开关401，能够使用如图6(a)所示的具有逆并联二极管503、513的IGBT502、512的对接结构，如图6(b)所示的逆阻止IGBT522、532的逆并联连接结构，如图6(c)所示的用4个二极管553、554、555、556使极性单侧化用IGBT552短路的结构等。图6(a)～(c)中，在各开关元件，连接有栅极驱动电路501、521、531、551。即使是这样的电源装置，通过具有图2所示的控制电路8，也能得到与上述实施方式1相同的效果。即，能够除去从交流电源流入的直流成分，能够改善来自交流电源1的功率因数。此外，图5的结构与图1相比，在使用图6(a)的电路作为双向开关401的情况下通过损耗相同，在使用图6(b)的电路的情况下能够减少通过损耗。此外，在图6(a)、(b)、(c)中，因为双向开关401的开关驱动信号都只要1个，所以不需要考虑直流侧的短路。

图7表示直流电源装置的另一个其他结构。图7中，对于与图1相同的构成元件附加相同的符号，省略详细说明。图7所示的直流电源装置，对从交流电源1输出的交流电压用二极管605、606、615、616整流之后，用开关元件603短路。在开关元件603，连接有栅极驱动电路602。即使是这样的电源装置，通过具有图2所示的控制电路8，也能得到与上述实施方式1相同的效果。此外，因为开关元件603的开关的驱动信号能够用1个实现，所以不需要考虑直流侧的短路。进而，图7的电路结构，具有能够用检测器601在直流侧检测交流电压的信息的优点，能够简化检测电路的驱动控制电路。

图8表示直流电源装置的另一个其他结构。图8中，对于与图1相同的构成元件，附加相同的符号并省略详细说明。图8所示的直流电源装置，在全波整流电路704、714的下侧并联地具有开关元件702、712。在开关元件702、712，分别连接有栅极驱动电路701、711。直流电源装置经由电抗器2a、2b用开关元件702、712和二极管703、713使交流电源1短路。即使是这样的电源装置，通过具有图2所示的控制电路8，也能得到与上述实施方式1相同的效果。在图8所示的电路结构中，也因为开关元件702、712的开关的驱动信号用1个实现，所以不需要考虑直流侧的短路。此外，在图8的电路结构的情况下，通过损耗与图1相同。

如上所述，本实施方式的控制电路8，不限定于开关元件和驱动信号的数量和结构，能够应用于如图1、5、7、8所示的各种直流电源装置。

其中，在图1、图5、图7和图8中，使用IGBT作为开关元件，但是也可以使用MOSFET等其他元件。

此外，本发明的实施方式1的直流电源装置，使用交流变流器作为电流检测器3，但也可以使用能够检测直流电流的传感器。在使用能够检测直流电流的情况下，可能会因为温度特性而在输出中出现偏移，传感器的电流相当于零时的输出的值会偏离。但是，在这种情况下，因为也会在直流电压输出中出现同样的成分，所以能够通过应用本发明的方法，等价地消除传感器的偏移。

进而，本发明的实施方式1中，将控制电路8作为能够应用于能够监测瞬时的交流电压和电压相位的直流电源装置的控制电路进行了说明。但是本实施方式的控制电路8，不限定于上述直流电源装置，也能够组装在使用推测瞬时的交流电压和相位的推测信息的直流电源装置中。推测瞬时的交流电压和相位的方法，在包括与本申请相同的发明者的先行例(日本特开2001-45763号公报)等中提出。

此外，本实施方式中用单相电源进行了说明，但即使是三相电源，也能够应用本实施方式(以下实施方式2～4也同样)。即，通过抽取三相电源的电源频率成分的振幅和相位，对于对应的开关元件的驱动进行修正，可以得到与本实施方式相同的效果。

(实施方式2)

本发明的实施方式2的直流电源装置，用与电流检测器3(本实施方式中为交流变流器)的频率特性相反的特性，对检测出的瞬时电流的信息进行修正，由此与上述实施方式1相比能够进一步改善电流波形。本实施方式的直流电源装置中，控制电路8的内部结构与实施方式1不同。关于除此以外的结构，本实施方式的直流电源装置与实施方式1相同。即，本实施方式的直流电源装置，例如具有图1、图5、图7或图8所示的电路结构。

2.1控制电路的结构

图9表示本实施方式的控制电路8的框线图。本实施方式的控制电路8，除了实施方式1的图2所示的结构之外，还具有对瞬时电流下的电流检测器3(本实施方式中为交流变流器)的频率特性进行修正的频率特性修正电路151，将驱动功率电路107的结果得到的瞬时电流，经由频率特性修正电路151输出到比较器104。关于除此以外的结构，图9与图2相同。

图10表示频率特性修正电路151的特性和作为电流检测器3的交流变流器的特性。如图10所示，频率特性修正电路151具有与交流变流器的频率特性大致相反的特性。通过频率特性修正电路151，对交流变流器的频率特性进行修正，而使对比较器104输出的瞬时电流成为不包含交流变流器的频率特性的波形。如图10所示，一般的变流器在电源频率以上的频率范围中具有充分的灵敏度，但在电源频率以下的频率范围中灵敏度会降低。特别是，从电源频率的一半的频率起灵敏度会开始降低。因此，在实施方式1中，电源频率与直流之间的信息量会降低。因此，在使用交流变流器的反馈控制中，不能够提高交流电流的正弦波波形的精度。另一方面，在实施方式2中，通过频率修正电路151，对交流变流器3的频率特性进行修正，所以能够进一步提高正弦波波形的精度。

2.2变形例1

此外，具有实施方式1的图2和实施方式2的图9所示的控制电路8的直流电源装置，为了能够进一步检测瞬时的过大电流，也可以采用以下的结构。具体而言，控制电路8，在由电流检测器(交流变流器3)得到的电流信息或由频率特性修正电路151得到的修正电流信息表示的瞬时值的绝对值超过第一规定电平时，停止开关元件(例如图1的开关元件302、312，图5的开关元件401，图7的开关元件603，和图8的开关元件702、712)的开关的驱动，持续规定时间。通过停止开关元件的开关，交流电源1与电抗器2不会因开关元件而短路，所以能够防止电流增加。

此外，控制电路8，在由电流检测器(交流变流器)3得到的电流信息或由频率特性修正电路151得到的修正电流信息表示的瞬时值的绝对值超过比第一规定电平更大的第二规定电平的情况下，停止开关元件(例如图1的开关元件302、312，图5的开关元件401，图7的开关元件603，和图8的开关元件702、712)的开关的驱动。由此，无论是否检测到超过第一规定电平的电流，在电流没有根本性地减少的情况下，通过停止装置动作，能够防止装置的损伤等。此外，因为不使用其他检测就能够实现开关元件的过负荷状态，所以可以实现直流电源装置的简化。

2.3变形例2

具有图2或图9所示的控制电路8的直流电源装置，在驱动直流负载的情况下，也可以用作为电流检测器3的交流变流器检测出的电流信息，检测负载是否过大。具体而言，控制电路8，通过观测对于由电流检测器(交流变流器)3得到的电流信息或由频率特性修正电路151得到的修正后的修正电流信息表示的电流值的振幅在电源周期以上的期间平均化后的值是否为规定的电平(第三规定电平)，来判别负载是否过大。在供给到负载的直流电压过高的情况下，大多是负载过大。因此，通过基于上述判别结果降低直流电压，能够在负载一侧摆脱过负荷状况。由此，电源装置能够进行电源不会因过负荷状态而失效且交流电源侧不会成为过负荷而屏蔽电源的动作。因此，能够防止电源装置本身和作为负载连接的系统的损伤。进而，该交流变流器因为能够直接使用在用于使电源电流成为正弦波状的控制中使用的部件，所以不会导致部件个数的增加和装置的大型化。

(实施方式3)

接着，利用本发明的原理，对更加简便的结构的直流电源装置进行说明。本实施方式的直流电源装置，具有如图1、图5、图7或图8所示的电路结构，但是不具有电流检测部3。此外，在本实施方式的直流电源装置中，控制电路8的内部结构与上述实施方式1和2不同。图11表示本实施方式中的控制电路8的框线图。图11中，功率电路107，例如与图1的电抗器2、开关元件302、312、二极管303、304、313、314和电容器4对应。图11中，功率电路107以外的构成要素(比较器101、电压系统补偿运算部102、第一和第二模式函数110、120、修正部106和电源频率成分抽取部108)，表示控制电路8的内部结构。图11所示的本实施方式的控制电路8，与图2所示的控制电路相比较，具有省去了用于测量瞬时的电流波形并使其成为精度较高的正弦波电流的控制功能的简便的结构。

如图11所示，比较器101对从外部输入的直流电压指令和从功率电路107得到的实际的直流电压进行比较，输出比较结果(即电压偏差)。电压系统补偿运算部102对电压偏差进行补偿。电压系统补偿运算部102，设置为使电压控制系统稳定且高精度地动作。

第一模式函数部110，基于此时的交流电压相位和从电压系统补偿运算部102输出的补偿后的电压偏差信息，生成驱动信号。从第一模式函数部110输出的驱动信号，经由修正部106，发送到功率电路107。

电源频率成分抽取部108，输入通过驱动功率电路107得到的直流电压得信息，抽取直流电压中包含的电源频率成分。第二模式函数部120，基于此时的交流电压的相位(或者此时的交流电压相位和补偿后的电压偏差的信息)和由电源频率成分抽取部108抽取的电源频率成分，生成驱动信号的修正信息。像这样，由电源频率成分抽取部108抽取的电源频率成分，经由第二模式函数部120，发送到修正部106。修正部106基于由第二模式函数部120得到的信息对从第一模式函数部110输出的驱动信号进行修正，输出到功率电路107。换言之，控制电路8抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分，与所抽取的交流电源频率成分，和将预先决定的基本模式或基于交流电压波形的基本模式根据直流电压与目标直流电压的偏差调制后的信号相应地，对开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。

在本实施方式中，检测来自交流电源1的直流成分的原理，与上述实施方式1或2相同。此外，在本实施方式中，不具备图1所示的电流检测部3。即，不基于在功率电路107中检测出的瞬时电流的信息生成驱动信号。但是，通过用修正部106对于驱动信号与直流成分相反极性地进行修正，能够实现与具有电流检测部3的情况相同的功能。此外，驱动信号的修正模式，例如能够使用如实施方式1所说明的函数模式。

由此，不使用交流侧的电流检测部3就能够除去来自交流电源的直流成分。

(实施方式4)

在上述实施方式中，说明了直流电源装置具有控制电路8的情况，但上述实施方式的控制电路8也可以为使用了电源装置的应用系统所具有。例如，图2和图9所示的控制电路8，能够应用在通过逆变器驱动交流电动机的应用系统(例如电动机驱动装置)中。

图12表示本实施方式中的使用了直流电源装置的应用系统的整体电路结构。本实施方式的应用系统，除了图1所示的直流电源装置之外，还具有逆变器电路351，和与逆变器电路351连接的交流电动机352，驱动与交流电动机352连接的动力负载(未图示)。

在一般的动力负载中，存在随着转速的增加负载扭矩也会增加的动力负载，和即使转速增加扭矩也是大致恒定的动力负载。在前者的情况下，负载动力随着转速的增加而大幅增大。在后者的情况下，负载动力与转速的增加成比例地增大。无论前者还是后者，为了消除某些环境变化和异常情况下动力负载过大的状况，都需要降低交流电动机352的转速。

图12所示的应用系统，与实施方式2的变形例2同样，通过观测在电源周期以上的期间内平均化后的交流变流器的检测值(电流信息表示的电流值的振幅成分)是否大于规定的电平(第四规定电平)，能够判别动力负载是否过大。通过在检测到动力负载过大时降低交流电动机352的转速，负载能够消除过负荷状态。由此，能够防止电源装置、应用系统和作为负载的逆变器电路351及交流电动机352的损伤。

在本实施方式中，因为能够直接使用应用系统中用于使电源电流成为正弦波状的控制的电流检测器3，所以不会导致部件个数的增加和装置的大型化。

此外，驱动动力负载时，在能够使用直流电动机作为电动机的情况下，不需要逆变器电路。但是，在这种情况下，也如实施方式2的变形例2所说明的那样，在成为过大的负荷状态时，通过降低直流电压，能够降低电动机的转速。

此外，在上述实施方式中的负载是否过大的判别中，使用交流变流器检测出的电流信息，利用将电流信息表示的电流值的振幅在电源周期以上的期间平均化的值。但是并不限于此，也能够利用使用电流信息表示的交流的有效值的方法，和使用电流信息表示的电流值的电源周期以上的期间的振幅的峰值的方法等。

此外，在上述实施方式中，举例表示了图12所示的电动机驱动装置作为应用系统，但是应用系统是只要利用电源装置驱动电动机的应用系统即可。例如，应用系统也可以是具有压缩机，对压缩机供给电源的空调机。

产业上的利用可能性

根据本发明，通过抽取直流电压中包含的电源频率成分，基于所抽取的电源频率成分，对开关元件的开关比率进行修正，由此能够除去从交流电源流入的直流成分，减轻对电力系统的负担。由此，本发明适用于直流电源装置，和从交流电源取得大致直流的负载并且消费电力较大的应用系统(例如变频空调)。

符号说明

1交流电源

2电抗器

3电流检测器

4电容器

5负载

6直流电压检测器

7交流电压波形检测器

8控制电路

101、104比较器

102电压系统补偿运算部

103乘法电路

105电流系统补偿运算部

106修正部

107功率电路

108电源频率成分抽取部

110第一模式函数部

120第二模式函数部

151频率特性修正电路

301、311栅极驱动电路

302、312开关元件

303、304、313、314二极管

351逆变器电路

352交流电动机

401双向开关

603、702、712开关元件

Claims (8)

1.一种将交流电压转换为直流电压并输出的直流电源装置，其特征在于，包括：

使交流电源通过电抗器短路的开关元件；

检测从所述交流电源流入的电流，作为电流信息输出的电流检测部；和

进行所述开关元件的开关驱动以使由所述电流检测部检测出的所述电流信息表示的电流的波形成为大致正弦波状的控制部，其中

所述控制部，抽取输出的所述直流电压中包含的交流电源频率成分，根据所抽取的交流电源频率成分对所述开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。

2.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：

所述电流检测部是交流变流器。

3.如权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制部，具有用所述交流变流器的频率特性对所述交流变流器检测出的电流信息进行修正的频率特性修正部，

所述控制部进行所述开关元件的开关驱动以使由所述频率特性修正部修正后的电流信息表示的电流的波形成为大致正弦波状。

4.如权利要求1～3中任意一项所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制部，在由所述电流检测部检测出的电流信息或由所述频率特性修正部修正后的电流信息表示的瞬时值的绝对值超过第一规定电平时，使所述开关元件的开关停止。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制部，在由所述电流检测部检测出的电流信息或由所述频率特性修正部修正后的电流信息表示的瞬时值的绝对值超过比第一规定电平大的第二规定电平时，使所述开关元件的开关停止。

6.如权利要求1～5中任意一项所述的直流电源装置，其特征在于：

所述控制部，将由所述电流检测部检测出的电流信息或由所述频率特性修正部修正后的电流信息表示的电流值的振幅成分在所述交流电源的周期以上的期间平均化，在平均化后的值大于第三规定电平的情况下，使输出的直流电压降低。

7.一种应用系统，其特征在于，包括：

权利要求1～6中任意一项所述的直流电源装置；和

由所述直流电源装置的输出驱动的电动机，其中

将由所述直流电源装置的电流检测部检测出的电流信息表示的电流值的振幅成分在交流电源的周期以上的期间平均化，在平均化后的值大于第四规定电平的情况下，使所述电动机的转速降低。

8.一种将交流电压转换为直流电压并输出的直流电源装置，其特征在于，包括：

使交流电源通过电抗器短路的开关元件；和

进行所述开关元件的开关驱动以使从所述交流电源流入的电流成为大致正弦波状的控制部，其中

所述控制部，抽取输出的直流电压中包含的交流电源频率成分，根据所抽取的交流电源频率成分，和将预先决定的基本模式或基于交流电压波形的基本模式根据所述直流电压与目标直流电压的偏差调制后的信号，对所述开关元件的开关驱动的开关比率进行修正。

Images