JP2001286146A

JP2001286146A - 電源装置

Info

Publication number: JP2001286146A
Application number: JP2000096215A
Authority: JP
Inventors: Yuji Abe; 裕司阿部; Shinichi Matsumura; 新一松村
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】スイッチング損失等の損失を低減し、且つ、
出力電圧を負荷に要求される電圧値に維持できる電源回
路を提供する。【解決手段】電源回路20と負荷回路50との間に挿入さ
れるコンデンサの総容量を、負荷52に対する入力電圧を
負荷回路50の変動に応じて要求に応じて可変とし、駆動
電圧を所望の値に維持する。具体的には、本発明の電源
装置10は、電源回路20からの直流入力電圧を一定に維持
して負荷回路50に供給する電源装置であって、電源回路
20は、交流電源22と、該交流電源22の交流電流を整流す
る整流回路26とを具え、該電源回路20には、出力電圧を
安定平滑化するコンデンサ30と、コンデンサ42とスイッ
チ44とを直列に接続した１又は複数のコンデンサ回路40
と、を並列に配備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷状態に応じて
供給電圧を変動すべき駆動回路において、負荷の増減に
対応して、所望の電圧を維持できる電源装置に関する。
その種負荷として、冷却用リニアコンプレッサに用いら
れるリニアモータを例示できる。

【０００２】

【従来の技術】電源回路から受け入れられた直流入力電
圧を、負荷に供給する電源装置には、負荷が変動して
も、所望の電圧値を維持することが望まれる場合があ
る。そのような要請に応じるスイッチングレギュレータ
として、昇圧チョッパ回路がある。昇圧チョッパ回路
は、負荷の変動による電圧の低下を、昇圧によって補う
ものである。図３に示すように、一般的な昇圧チョッパ
回路(70)を例に挙げて説明する。昇圧チョッパ回路(70)
は、電源回路(20)と負荷回路(50)との間に配備される。
電源回路(20)は、交流電源(22)の電流を整流回路(26)に
よって整流したものであり、電源回路(20)と並列に接続
された平滑コンデンサ(30)によって平滑化されて直流化
された電流は、昇圧チョッパ回路(70)に供給される。昇
圧チョッパ回路(70)は、電源回路(20)のプラス側に直列
接続されたリアクトル(72)と、該リアクトル(72)の出力
端にアノード側が接続されたダイオード(74)と、リアク
トル(72)とダイオード(74)との間から電源回路(20)を短
絡接続するスイッチ(76)とを具えている。ダイオード(7
4)のカソード側は、平滑用のコンデンサ(78)と並列接続
された負荷回路(50)に接続されている。図示の負荷回路
(50)は、交流駆動式の負荷(52)を用いており、該負荷回
路(50)と昇圧チョッパ回路(70)との間に、スイッチング
素子(62)(62)(62)(62)からなるインバータ駆動回路(60)
を接続し、インバータ駆動回路(60)によって直流を交流
に再度変換して、所望の周波数の交流電流を負荷(52)に
供給している。

【０００３】昇圧チョッパ回路(70)において、スイッチ
(76)をオンにした状態では、電源回路(20)の電圧が負荷
回路(50)に供給されると共に、リアクトル(72)に磁気エ
ネルギーが蓄積される。スイッチ(76)をオフすると、リ
アクトル(72)に蓄積された磁気エネルギーが、電源回路
(20)の電圧に重畳されて負荷回路(50)に供給される。上
記昇圧チョッパ回路(70)は、スイッチ(76)のオン／オフ
切替の周期を制御することによって、昇圧比を自由に変
化させて、負荷(52)の変動による駆動電圧の低下分を昇
圧によって直接的に補うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、昇圧チ
ョッパ回路(70)に用いられるスイッチ(76)、リアクトル
(72)、ダイオード(74)には、これらの作動の際に生ずる
損失が大きいことが知られている。具体的には、スイッ
チ(76)に生ずる損失Plossは、図４に示すように、スイ
ッチ切替時、つまり、ターンオン及びターンオフ時にス
イッチに流れる電圧Vdcと電流Ioutの積に比例した大き
さのスイッチング損が発生し、閉状態のときには導通損
が発生する。昇圧チョッパ回路(70)は、一般に数kHz〜
数十kHzのスイッチングを行なう必要があるため、ター
ンオン及びターンオフ時のスイッチング損も大きなもの
となっていた。また、リアクトル(72)に生ずる脈流や、
ダイオード(74)の電圧降下も損失の原因となっていた。

【０００５】昇圧チョッパ回路を用いることなく入力電
圧を調整する方法として、図５に示すように、電源回路
(20)と負荷回路(50)との間にコンデンサ(80)を並列に挿
入する方法が考えられる。この回路は、コンデンサ(80)
により、整流回路(26)で生成される直流電圧の低下を抑
えて、電圧を所望の電圧値で維持しようとするものであ
る。図５に示す回路において、電流Ioutが同じである場
合、図６(ａ)に示すように、電圧Vdcは、コンデンサ(8
0)の容量が大きいほど大きくなり、また、コンデンサ(8
0)の容量が同じである場合には、図６(ｂ)に示すよう
に、電流値Ioutが大きくなるほど、電圧Vdcは小さくな
る。従って、負荷が大きく変動しても、入力電圧を所望
の大きさで維持できるようにするには、大容量のコンデ
ンサ(80)を用いる必要がある。しかしながら、大容量の
コンデンサ(80)を使用すると、負荷回路(50)に大きな電
圧が必要とされないときでも、高い入力電圧が供給され
る結果、インバータ駆動回路(60)におけるスイッチング
損(図４参照)が大きくなってしまう問題があった。

【０００６】本発明の目的は、スイッチング損失等の損
失を低減し、且つ、出力電圧を負荷に要求される電圧値
に維持できる電源回路を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、電源回路(20)と負荷回路(50)との間に挿
入されるコンデンサの総容量を、負荷(52)に対する入力
電圧を負荷回路(50)の変動に応じて要求に応じて可変と
し、駆動電圧を所望の値に維持できるようにしたもので
ある。具体的には、本発明の電源装置(10)は、電源回路
(20)からの直流入力電圧を一定に維持して負荷回路(50)
に供給する電源装置であって、電源回路(20)は、交流電
源(22)と、該交流電源(22)の交流電流を整流する整流回
路(26)とを具え、該電源回路(20)には、出力電圧を安定
平滑化するコンデンサ(30)と、コンデンサ(42)とスイッ
チ(44)とを直列に接続した１又は複数のコンデンサ回路
(40)と、を並列に配備したものである。

【０００８】

【作用及び効果】負荷回路(50)に供給すべき電圧に応じ
て、スイッチ(44)をオン又はオフに切り替え、電源回路
(20)と負荷回路(50)との間に存するコンデンサの総容量
を変えることによって、負荷回路(50)等における損失の
増大を防ぎつつ、駆動電圧の低下を抑えて、負荷回路(5
0)へ供給される電圧を所望の値で維持することができ
る。

【０００９】即ち、ある負荷運転状態から、負荷回路(5
0)に流れる電流が増大して、駆動電圧が低下した場には
合、コンデンサの総容量を増大させる。具体的には、オ
フ状態にあるコンデンサ回路(40)のスイッチ(44)をオン
に切り替える。スイッチ(44)をオンにすると、追加され
たコンデンサ(42)の容量が平滑コンデンサ(30)と並列に
接続されて、電源回路(20)と負荷回路(50)との間に存す
るコンデンサの総容量は大きくなる。なお、コンデンサ
どうしを並列に接続した場合、容量は各コンデンサの容
量の和で表わされる。コンデンサの総容量が大きくなる
ことによって、図６(ａ)に示すように、電圧Vdcは増大
するから、負荷変動による低下分が補われて、所望の電
圧値が維持される。

【００１０】本発明によれば、従来の昇圧チョッパ回路
(70)のように、リアクトル(72)やダイオード(74)による
損失がない。さらに、負荷回路(50)が要求する駆動電圧
が小刻みに大変動しないかぎり、コンデンサ回路(40)の
スイッチ(44)は、オン状態又はオフ状態に保っておけば
よい。従って、コンデンサ回路(40)のスイッチング回数
は、昇圧チョッパ回路(70)のスイッチ(76)よりも少なく
てよいから、上記昇圧チョッパ回路(70)のスイッチ(76)
のように高価な半導体スイッチを用いずに機械スイッチ
を用いた回路構成とすることができる。また、コンデン
サ回路(40)のスイッチング回数が少ないから、スイッチ
ング損も低減される。

【００１１】また、従来のように大容量のコンデンサ(8
0)を挿入しておくと、負荷回路(50)等で大きな損失が発
生していたが、本発明の電源回路(20)のように、コンデ
ンサの総容量をスイッチングによって所望の容量に調節
することによって、出力電圧が最適に調節されるから、
そのような損失も低減される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の電源装置(10)を
示す回路図である。電源装置(10)は、電源回路(20)に、
平滑コンデンサ(30)及び１又は複数のコンデンサ回路(4
0)とを並列に接続したものである。電源回路(20)は、交
流電源(22)を整流回路(26)により整流し、直流に変換し
て供給する。整流回路(26)として、図１に示すようなダ
イオード(24)(24)(24)(24)からなる全波整流回路を例示
できる。なお、整流回路(26)は、これに限定されるもの
ではなく、また、半波整流とすることもできる。

【００１３】平滑コンデンサ(30)は、電源回路(20)から
の入力電圧を平滑化するために、電源回路(20)と並列に
接続される。

【００１４】コンデンサ回路(40)は、図１に示すよう
に、電解コンデンサ(42)とスイッチ(44)とを直列に接続
したものであり、各コンデンサ回路(40)は、前記平滑コ
ンデンサ(30)と並列に接続されている。コンデンサ回路
(40)は、要求される運転の仕方及び負荷(52)の変動度合
いに応じて、１又は複数挿入される。コンデンサ回路(4
0)の電解コンデンサ(42)の容量も、要求される運転の仕
方などに応じて適宜決定される。なお、各コンデンサ回
路(40)の電解コンデンサ(42)の容量は必ずしも同一にす
る必要はなく、例えば、複数のコンデンサ回路(40)の
中、１つを大きくすることもできる。スイッチ(44)は、
半導体スイッチや機械スイッチなどを用いることができ
る。後述する負荷(52)が小刻みに大変動しない場合に
は、スイッチング周期を長くとることができるから、安
価な機械スイッチを使用することができる。

【００１５】電源装置(10)には、電源装置(10)から供給
される電圧によって駆動する負荷回路(50)が接続され
る。負荷回路(50)の負荷(52)としては、トルクが変化す
ることによって、負荷(52)の電圧が変化するような負荷
が使用される。その種負荷(52)として、冷却用リニアコ
ンプレッサに用いられるリニアモータを例示できる。な
お、リニアモータは交流駆動式であるから、この場合に
は、図１に示すように、負荷回路(50)は、半導体スイッ
チング素子(62)(62)(62)(62)などから構成されるインバ
ータ駆動回路(60)を介して電源装置(10)に接続する。負
荷(52)が直流駆動式の場合は、電源装置(10)と負荷回路
(50)とを直接接続すればよい。

【００１６】図１に示すように、負荷回路(50)には、後
述する制御の際に負荷回路(50)を流れる電流Irefを測定
するための電流センサ(90)が配備される。

【００１７】コンデンサ回路(40)のスイッチ(44)及び電
流センサ(90)は、制御回路(46)に接続され、制御回路(4
6)からの命令によってオン／オフ制御される。制御回路
(46)には、平滑コンデンサ(30)及び各電解コンデンサ(4
2)の各容量が記憶されており、電流センサ(90)の電流測
定値と、電源回路(20)と負荷回路(50)との間に挿入され
ている平滑コンデンサ(30)の容量及びスイッチ(44)がオ
ンになっているコンデンサ回路(40)の電解コンデンサ(4
2)の容量の和(以下、単に「コンデンサ総容量」という)
に基づいて、フローチャート図２に示すような制御を行
なう。

【００１８】以下、フローチャート図２に沿って、本発
明の電源装置(10)の動作を説明する。電源回路(20)から
出力される脈流電圧(整流波形)は、平滑コンデンサ(30)
によって平滑化されて負荷回路(50)に印加される。トル
クの変動などにより負荷(52)が変動し、電圧Voutが低下
した場合、制御回路(46)は、電流センサ(90)にて測定さ
れる現在の電流値Irefと、コンデンサ総容量に基づい
て、現在の状態で出力可能な電圧の最大値Vlimを算出し
(ステップ１)、得られた電圧最大値Vlimと、所望される
駆動電圧Voutとを比較する(ステップ２)。出力可能な電
圧の最大値Vlimが、現在供給している電圧Voutよりも大
きければ、出力電流Irefを増加させることにより(ステ
ップ３)、駆動電圧Voutを増大させて、駆動電圧の低下
分を補う。これによって、出力電流Irefが目標値に達す
れば、負荷(52)には、所望の出力電圧Voutが供給される
ため、出力電圧の制御は終了する。出力電流Irefが目標
値に達していなければ、駆動電圧Voutが所望の値に維持
されていないため、ステップ１に戻る。

【００１９】ステップ２において、出力可能な電圧最大
値Vlimが、所望の出力電圧Voutよりも小さい場合には、
コンデンサ(42)の追加が可能かどうかを判定する(ステ
ップ５)。すでにコンデンサ回路(40)のスイッチ(44)が
全てオン状態になっているならば、それ以上の電圧を補
うことができないため、このルーチンは終了する。コン
デンサ(42)の追加が可能である場合、つまり、スイッチ
(44)がオフのコンデンサ回路(40)がある場合には、コン
デンサ総容量が、電圧低下分を補うのに必要な容量とな
るように、コンデンサ回路(40)のスイッチ(44)をオンに
して、コンデンサを追加し、コンデンサ総容量を増大さ
せる(ステップ６)。コンデンサ総容量を増大することに
より、供給可能な駆動電圧Vdcの最大値Vlimは高められ
る。そこで、ステップ１にて再度出力電圧の最大値Vlim
を算出し、負荷変動による電圧の低下分が補われ、出力
電圧Voutが所望の値になるまで、このルーチンを繰り返
す。

【００２０】負荷(52)が小さくなったときには、上記と
は逆に、オン状態にあるコンデンサ回路(40)のスイッチ
(44)をオフにしてコンデンサ総容量を減少させて、負荷
回路(50)等における損失を小さくする。

【００２１】上述のように、本発明の電源装置(10)によ
れば、負荷回路(50)の負荷状態に応じてコンデンサ総容
量を最適に調節することによって、負荷変動による電圧
の低下分を補って、電圧を所望の値に維持できる。ま
た、コンデンサ総容量が小さくてよい場合には、不要な
コンデンサ(42)を切断することにより、コンデンサ総容
量を減少させて、負荷回路(50)等での損失を小さくでき
る。

【００２２】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電源装置を示す回路図である。

【図２】本発明の電源装置の制御の流れを示すフローチ
ャート図である。

【図３】従来の昇圧チョッパ回路を具えた電源装置を示
す回路図である。

【図４】(ａ)は、スイッチに流れる電流と電圧との関係
を示すグラフであり、(ｂ)は、スイッチに生ずる損失を
示すグラフである。

【図５】電源回路と負荷回路との間にコンデンサを挿入
した従来の昇圧回路を示す回路図である。

【図６】(ａ)は、電流値が一定の場合のコンデンサの容
量と整流電圧との関係を示すグラフであり、(ｂ)は、コ
ンデンサの容量が一定の場合の電流と電圧との関係を示
すグラフである。

【符号の説明】

(10) 電源装置 (20) 電源回路 (30) 平滑コンデンサ (40) コンデンサ回路 (42) 電解コンデンサ (44) スイッチ (50) 負荷回路 (52) 負荷 (60) インバータ駆動回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H006 AA04 BB05 CA02 CA07 CA12 CA13 CB01 CB09 CC08 DA04 DB01 DC02 5H007 AA05 BB06 CA02 CB04 CB05 CC12 DA00 DB02 DC02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電源回路(20)からの入力電圧を一定に維
持して負荷回路(50)に供給する電源装置であって、電源回路(20)は、交流電源(22)と、該交流電源(22)の交
流電流を整流する整流回路(26)とを具え、該電源回路(20)には、出力電圧を安定平滑化するコンデンサ(30)と、コンデンサ(42)とスイッチ(44)とを直列に接続した１又
は複数のコンデンサ回路(40)と、を並列に接続してお
り、負荷回路(50)に供給する電圧に応じて、コンデンサ回路
(40)のスイッチ(44)をオン又はオフに切り替えることに
より、電源回路(20)と負荷回路(50)との間に存するコン
デンサの総容量を変えて、負荷回路(50)に印加する駆動
電圧を所望の電位に調整することを特徴とする電源装
置。
【請求項２】負荷回路(50)は、運転状態に応じて電圧
が変化する負荷(52)を具える請求項１に記載の電源装
置。
【請求項３】負荷回路(50)は、直流電流を交流電流に
変換するインバータ駆動回路(60)を介して電源回路(20)
に接続される請求項２に記載の電源回路。