CN104247241B - 直流电源装置 - Google Patents

Abstract

将交流电压转换为直流电压并输出的直流电源装置包括：连接于对交流电压进行整流的二极管电桥(1003)的负侧输出端与半导体开关之间的分路电阻(1005)；和对流过分路电阻(1005)的电流进行检测的电流检测部(1011)，在电流检测部(1011)设置有使检测的电流值变得比流过分路电阻(1005)的电流大的正偏移值，实现电源谐波的降低和功率因数的改善。

Description

直流电源装置

技术领域

本发明涉及将来自交流电源的交流电压转换为直流电压成为负载电压的直流电源装置。

背景技术

现有技术中，如图5所示，作为这种的具有直流电源装置的电源装置包括整流二极管电桥2、平滑电容器3、逆变电路4、有源滤波器5、开关控制部7和逆变器控制部8，对电动机6供给期望的频率的电源(例如，参照专利文献1)。在如上述方式构成的现有的电源装置中，在由整流二极管电桥2将交流电源1整流后，经由电抗器31在半导体开关33短路，将电流充电至电抗器31，在半导体开关33成为断开的状态下，经由二极管32对平滑用电容器3供给电力而形成直流电压。

在这样的直流电源装置中，为了降低电源谐波，检测电源输入电流，使半导体开关33短路和开路，以使得输入电流波形成为与电源电压波形相同的形状。由此，能够降低电源谐波分量(成分)，改善功率因数。

如图5所示，输入电流的检测使用连接在整流二极管电桥2的负侧与开关元件33之间的、分路(shunt)电阻34的两端的电位差进行。

图6是表示上述这样的输入电流的检测中一般使用的、输入电流检测方法的电路图。

图6所示的直流电源装置包括交流电源101、电机102、整流二极管电桥103、电抗器104、分路电阻105、半导体开关106、二极管107、平滑电容器108、逆变器部109、运算放大器201、电阻202、203和控制部110。

分路电阻105的整流二极管电桥103侧的端子，经由电阻202连接到运算放大器201的反相输入侧。运算放大器201的非反相输入侧为与分路电阻105的整流二极管电桥103侧相反的一侧相同的电位。输入到运算放大器201的反相输入侧的分路电阻105的电位，变得比与整流二极管电桥103相反一侧的电位(基准电位)低，但被运算放大器201反相放大，所以运算放大器201的输出一定比基准电位高。即，即使运算放大器201的输入的一部分比基准电位低，输出也比基准电位高，所以能够以单电源电路进行动作。

而且，控制部110使半导体开关106短路和开路，以使得从交流电源101流入的电源成为大致正弦波状。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003－79050号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，在上述现有的结构的直流电源装置中，例如因构成装置的元件的特性等原因在电流检测部产生负偏移(minus offset)的情况下，缺失电流检测信息的一部分。其结果，基于电流检测信息控制部的电流控制紊乱，具有电源谐波的增大、功率因数恶化的课题。

本发明解决上述现有的课题，目的在于提供一种通过在电流检测部有意地设定正偏移(plus offset)，抑制电流检测信息的缺失进行适当的电流控制，能够实现电源谐波的降低和功率因数的改善的直流电源装置。

用于解决课题的方法

用于解决上述现有的课题，本发明的直流电源装置包括：对交流电源进行整流的二极管电桥；与二极管电桥的正侧输出端连接的电抗器；经由电抗器使来自交流电源的交流电压短路和开路的半导体开关；连接于二极管电桥的负侧输出端与半导体开关之间的分路电阻；对流过分路电阻的电流进行检测的电流检测部；和由电流检测部检测输入电流，使半导体开关短路和开路以使得输入电流成为大致正弦波的控制部，在电流检测部设置有使所检测的电流值成为比流过分路电阻的电流大的正偏移值。

发明效果

根据本发明的直流电源装置，通过在电流检测部有意地设定正偏移，抑制电流检测部的电流检测信息的缺失，进行能够进行基于电流检测信息的适当的电流控制，能够实现电源谐波的降低和功率因数的改善。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的直流电源装置的电路框图。

在图2中，(a)是在电流检测部产生正偏移时的输入电流波形，图(b)是将输入电流波形分解为基波和谐波分量而得的波形，图(c)是以矩形波拟合输入电源波形中的谐波分量而得的波形图。

图3A是表示关于电源谐波限制的IEC标准的各阶(次数)的允许谐波电流的曲线图。

图3B是表示将振幅设定为2.5A的情况下的矩形波的各阶的谐波电流的曲线图。

图3C是将图3B的曲线图的一部分放大表示的曲线图。

图4是本发明的实施方式2的直流电源装置的电路框图。

图5是表示现有的直流电源装置的电流检测原理的电路框图。

图6是表示现有的直流电源装置的电流检测部的结构的电路框图。

具体实施方式

本发明的第1方面的直流电源装置，其将来自交流电源的交流电压转换为直流电压并输出，所述直流电源装置包括：对交流电源进行整流的二极管电桥；与二极管电桥的正侧输出端连接的电抗器；经由电抗器使来自交流电源的交流电压短路和开路的半导体开关；连接于二极管电桥的负侧输出端与半导体开关之间的分路电阻；对流过分路电阻的电流进行检测的电流检测部；和由电流检测部检测输入电流，使半导体开关短路和开路以使得输入电流成为大致正弦波的控制部，在电流检测部设置有使所检测的电流值成为比流过分路电阻的电流大的正偏移值。

由此，即使在因构成电流检测部的元件的影响等而产生负偏移的情况下，也能够利用有意设定的正偏移抑制电流检测信息的缺失，能够通过基于电流检测信息的电源输入电流的控制实现电源谐波的降低和功率因数的改善。

本发明的第2方面的直流电源装置，上述第1方面的上述正偏移值为2.5A以下。

由此，能够抑制在电流检测部产生负偏移的情况下的电流检测信息的缺失，并使因有意设定的正偏移而产生的电源谐波分量收于电源谐波限制的国际标准IEC61000-3-2Class-A(以下称为“IEC标准”)的限度值内，提供更适合实用的直流电源装置。

本发明的第3方面的直流电源装置中，上述的第1方面或第2方面的上述电流检测部由反相放大电路构成，上述分路电阻的电位低的一侧与上述反相放大电路的反相输入侧连接，使上述反相放大电路的非反相输入侧的电位成为比上述分路电阻的高电位侧高的电位。

由此，能够以单电源使电流检测部动作，所以能够以廉价的结构实现适当的电流控制，能够实现电源谐波的降低和功率因数的改善。

下面，参照附图，对作为本发明的直流电源装置的实施方式设置有直流电源装置的电源装置进行说明。此外，本发明的直流电源装置不限定于以下的实施方式中记载的结构，包括基于与以下的实施方式中说明的技术思想同等的技术思想构成的直流电源装置。

(实施方式1)

图1是表示本发明的具有实施方式1的直流电源装置的电源装置整体的电路结构的框图。

在图1中，来自交流电源1001的输出端的电流被输入到二极管电桥1003。在二极管电桥1003的正侧输出端串联连接有电抗器1004，另外，以阳极成为电抗器1004侧的方式串联连接有二极管1007。并且，二极管电桥1003的输出与平滑电容器1008并联连接。

二极管电桥1003的负侧输出端与分路电阻1005连接，在二极管电桥1003与分路电阻1005之间连接有检测二极管电桥的输出电流的电流检测部1011。

另外，二极管电桥1003的输出端经由电抗器1004与半导体开关1006连接。利用该半导体开关1006使来自交流电源1001的交流电压短路、开路，由此改善电源装置的功率因数。来自交流电源1001的交流电压由二极管电桥1003整流，之后，由逆变器部1009转换为交流电压，驱动电机1002。

在实施方式1中，由二极管电桥1003、电抗器1004、半导体开关1006、分路电阻1005、电流检测部1011和控制部1010构成直流电源装置。

接着，对本发明的实施方式1的电流检测部1011的结构进行说明。

分路电阻1005的电位低的一侧与反相放大电路的反相侧连接。该反相放大电路由电阻2002、2003、基准电压源2050和运算放大器2001构成。此外，基准电压源2050的负侧与分路电阻1005的电位高一侧(零电位)相同。由此，能够用单电源使电流检测部1011动作。

接着，对将电流检测信号输入到控制部1010的电流检测部1011的动作进行说明。电流从交流电源1001流过分路电阻1005，由此在分路电阻1005的两端产生电位差。设分路电阻1005的电位低的一侧为Vi、基准电压源2050的电位为Vref、电阻2002、2003的电阻值为R2002、R2003时，运算放大器2001的输出Vo由式1求出。

(式1)

在此，作为电流检测部的元件的运算放大器2001在负侧具有偏移的情况下等、在电流检测部1011中检测到比流过分路电阻1005的电流小的电流值、即产生负偏移时，即使输入电流流过，有时电流检测部1011的输出也饱和，保持零的状态。这样，在因任何的影响而产生负偏移的情况下，电流检测信息的一部分缺失。其结果，基于电流检测信息的电流控制紊乱，导致电源谐波的增大和功率因数的恶化。

另一方面，在电流检测部中，在检测出比流过分路电阻1005的电流多的、所谓产生正偏移的情况下，能够不缺失电流检测信息地进行基于检测出的电流值的电流控制。

因此，通过预先在电流检测部1011有意地设定正偏移，能够抑制电流检测信息的缺失，实现基于电流检测信息的适当的输入电流控制。

接着，使用图2、和图3A至图3B对在电流检测部设定的正偏移值的确定方法进行说明。

在图2中，(a)是表示在电流检测部1011产生正偏移时的输入电流波的一个例子的波形图，图(b)是表示将输入电流波形分解为基波和谐波分量而得的波形图，图(c)是以矩形波拟合输入电源波形中的谐波分量而得的波形图。

另外，图3A是表示电源谐波限制的IEC标准的各阶的最大允许谐波电流的曲线图，图3B是表示将振幅设定为2.5A的情况下的矩形波的各阶的谐波电流的曲线图，图3C是将图3 B的曲线图的一部分放大表示的曲线图。

通过在电流检测部1011设置想要的正偏移，能够抑制电流检测信息的缺失。另一方面，当设定过度的正偏移时，会根据包含正偏移值的电流检测信息进行电源输入电流的控制，所以如图2的(a)所示，电源输入电流的谐波分量增加。为了抑制该谐波分量，需要设定适当的正偏移值。

在此，图2的(a)的输入电流波形，如图2的(b)所示，由基波和谐波分量构成。该谐波分量因设定于电流检测部1011的正偏移而产生。以下对将该谐波分量收于IEC标准的范围的正偏移的确定方法进行说明。

首先，如图2的(c)所示，以矩形波拟合谐波分量。矩形波的正和负循环对称，所以不包含偶数次谐波，仅包含奇数次谐波，其波形由下面所示的式2的傅立叶级数展开表示。在此，I表示矩形波电流的振幅。

(式2)

另外，根据式2，第n次谐波电流的有效值In由式3表示。

(式3)

在此，为了抑制因设置正偏移而产生的电源谐波分量并收于IEC标准内，只要使以矩形波拟合而得的电源谐波所含的各阶分量的振幅收于图3A所示的IEC标准的允许电流的振幅以下即可。从而，求出这种矩形波的最大允许振幅。

在包含IEC标准所规定的各阶的允许电流的矩形波中，该矩形波的振幅I通过对式3的n和In代入图3A所示的阶(次数)和各阶的允许电流值而求出。表1表示所得到的振幅I。

(表1)

阶(次)	矩形波电流各阶的允许振幅(A)
		3	7.66
5	6.33
		7	5.99
9	4.00
		11	4.03
13	3.03
		15	2.50
17	2.50
		19	2.50
21	2.50
		23	2.50
25	2.50
		27	2.50
29	2.50
		31	2.50
33	2.50
		35	2.50
37	2.50
		39	2.50

根据表1可知，15次谐波以后的振幅I收敛于2.5A。

由此，当矩形波电流的振幅在2.5A以下时，该矩形波所包含的各阶分量的电流的振幅为图3A所示的允许电流以下。由此，用于将电源谐波分量收于IEC标准的矩形波电流的最大允许振幅为2.5A。通过像这样将在电流检测部设定的正偏移设定为2.5A以下，能够抑制因产生负偏移而导致的控制部的动作的不稳定，并且能能够将因正偏移而产生的谐波分量收于IEC标准内。

为了确认，图3B和图3C表示将振幅设定于2.5A的矩形波的各阶的谐波电流的值。

根据图3B和将图3B的一部分放大而得的图3C可知，振幅为2.5A的矩形波电流不超过用曲线图内的实线表示的IEC标准所规定的各阶的谐波电流的允许电流值。

如上所述，设定运算放大器2001的基准电压源2050以使得电流检测部1011的正偏移在2.5A以下，由此能够抑制在电流检测部产生的电流检测信息的缺失，所以能够进行基于电流检测信息的适当的电流控制。另外，能够使因有意设定的正偏移而产生的电源谐波分量收于IEC标准的限度值以内。

(实施方式2)

图4是表示本发明的具有实施方式2的直流电源装置的电源装置整体的电路结构的框图。

以下，对具有实施方式2的直流电源装置的电源装置，以与实施方式1的不同点为中心进行说明。此外，在实施方式2的说明中，对具有上述实施方式1相同功能的构成要素标注相同的参照附图标记，省略说明。另外，对具有与上述实施方式1相同作用的内容，省略说明。实施方式2的电流检测部1011的电路结构与实施方式1不同，但是与实施方式1同样，采用利用分路电阻1005的电位差检测来自交流电源1001的电流的结构，所以使用相同的附图标记进行说明。

接着，对电流检测部1011的结构进行说明。将分路电阻1005的两端的电压输入到由基准电压源1150和电阻1102、1103、1104、运算放大器1101构成的、进行反相和电平移动(level shift)的第一反相·电平移动电路和由基准电压源1150和电阻1202、1203、1204、运算放大器1201构成的第二反相·电平移动电路。

将运算放大器1101、1201的输出分别输入到电阻1302、1304，使由电阻1302、1303、1304、1305和运算放大器1301构成的差动放大电路动作。而且，提取运算放大器1101、1201的输出之差，以运算放大器1301的输出作为电流检测信息。

设分路电阻1005的电位高的一侧(零电位)为V1、基准电压源1150的电位为Vref、电阻1102、1103、1104的各电阻的值为R1102、R1103、R1104时，运算放大器1101的输出电压Vo_1由式4表示。

(式4)

同样，设分路电阻1005的电位低的一侧为V2、基准电压源1150的电位为Vref、电阻1202、1203、1204的各电阻的值为R1202、R1203、R1204时，运算放大器1201的输出电压Vo_2由式5表示。

(式5)

而且，在将运算放大器1101的输出Vo_1输入到运算放大器1301的反相输入侧，将运算放大器1201的输出Vo_2输入到运算放大器1301的非反相输入侧的情况下，设电阻1302、1303、1304、1305的电阻值分别为R1302、R1303、R1304、R1305时，运算放大器1301的输出Vo_3由式6表示。

(式6)

在此，在输入电流为零的情况下，运算放大器1301的输出Vo_3为电流检测部1011的偏移值。

另外，当将运算放大器1301周围的电阻设定成R1305/R1304＞R1303/R1302时，能够对电流检测部1011给予正偏移。

在以上的电路结构中，通过设定运算放大器1101、1201、1301的电路常数以使得正偏移为2.5A以下，能够抑制电流检测部1011的电流检测信息的缺失，能够进行基于电流检测信息的适当的电流控制。另外，能够使因有意设定的正偏移而产生的电源谐波分量收于IEC标准的限度值以内。

在实施方式2的结构中，与实施方式1同样，由二极管电桥1003、电抗器1004、半导体开关1006、分路电阻1005、电流检测部1011和控制部1010构成直流电源装置。

此外，在上述实施方式1、2中，假定IEC标准且电源电压有效值为230V的情况进行了说明，但是与该标准同等或类似的标准应用于各国中，与该国的电源电压不同但是规定电流值相同的情况下，只要给予成为与实施方式相同的电流值以下的偏移值即可，在与该国的电源电压不同且规定电流值发生变化的情况下，给予成为与电源电压比率成反比例的值以下的偏移值即可，这是容易类推的。例如，当该国的电源电压有效值为100V时，能够为2.5×230÷100＝5.75A。

在本说明书中，在各实施方式中对本发明进行了一定程度的详细说明，但是这些实施方式的公开内容在结构的细节中应适当地变化，各实施方式中的要素的组合和顺序的变化，在不脱离所要求的本公开的范围和思想的情况下能够实现。

产业上的利用可能性

本发明的直流电源装置能够提高电源的利用效率，所以例如能够作为电源装置应用于压缩机，通过压缩制冷剂构成热泵，由此能够适合用于进行供冷、供暖或者食品等的冷冻。

附图符号说明

1001 交流电源

1003 二极管电桥

1004 电抗器

1005 分路电阻

1006 半导体开关

1008 平滑电容器

1010 控制部

1011 电流检测部

1102、1103、1104、1202、1203、1204、1302、1303、1304、1305、2002、2003 电阻

1101、1201、1301、2001 运算放大器

1150、2050 基准电压源

Claims (3)

1.一种直流电源装置，其将来自交流电源的交流电压转换为直流电压并输出，所述直流电源装置的特征在于，包括：

对所述交流电源进行整流的二极管电桥；

与所述二极管电桥的正侧输出端连接的电抗器；

经由所述电抗器使来自所述交流电源的交流电压短路和开路的半导体开关；

连接于所述二极管电桥的负侧输出端与所述半导体开关之间的分路电阻；

对流过所述分路电阻的电流进行检测的电流检测部；和

由所述电流检测部检测输入电流，使所述半导体开关短路和开路以使得所述输入电流成为大致正弦波的控制部，

在所述电流检测部设置有使所检测的电流值成为比流过所述分路电阻的电流大的一定值的正偏移值。

2.如权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于：

所述正偏移值为2.5A以下。

3.如权利要求1或2所述的直流电源装置，其特征在于：

所述电流检测部由反相放大电路构成，

所述分路电阻的电位低的一侧与所述反相放大电路的反相输入侧连接，

使所述反相放大电路的非反相输入侧的电位成为比所述分路电阻的高电位侧高的电位。