JP2004040995A - 負荷に供給される電力の制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置は、該負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ、制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ、及び入力と出力を有する整流ブリッジからなる。該入力は交流電源への接続のために調整され、該出力は第1インダクタ、該負荷及び該スイッチの直列接続に接続される。該コントローラは、交流電源の少なくとも500倍の周波数をもつ制御信号を与える。該スイッチは、制御信号によりスイッチが切り替えられる。該コントローラは、制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを備える。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、正弦波出力を提供する交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法及び制御装置に関し、特に、交流電源から負荷に供給される電力が、各周期の一部のデュレーション(duration)を変えることによって変化させ、当該正弦波出力の各周期の一部において抵抗負荷を交流電源に接続する方法に関する。本発明は、さらに、交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって、交流電源に負荷を接続するスイッチと、当該スイッチに制御信号を与えるコントローラからなる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
米国特許第6,114,669号では、いわゆるフェーズカット(phasecut)制御方法に従ってコントローラが動作するタイプの制御方法及び制御装置が開示されている。交流電源の1/2の周期の各期間において、交流電源に負荷を接続するスイッチが閉じられ、交流電圧が0になるところで、当該スイッチは開かれる。この従来装置では、制御信号のフェーズ角(phase angle)を供給電力に対応するフェーズ角近傍に変えることによって、フリッカー(flicker)や干渉放射(interference radiation)が抑えられる。
【0003】
【特許文献1】
米国特許第6,114,669号
【発明が解決しようとする課題】
この従来装置では、負荷を交流電源に徐々に接続することが可能であるが、比較的多くのコントロールステップを要するにも関わらず、特に小さなフェーズ角では、フェーズ切断が正確でないという欠点がフェーズ制御方法にはある。
【0004】
さらに、フェーズカット制御方法では、高調波ひずみ(harmonic distortion)により力率(power factor)が比較的低い値になる。
【0005】
本発明の課題は、上述のような高調波ひずみ及びフリッカーに関する高い要請を満足する制御方法及び制御装置を提供することにある。
【0006】
【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、以下の特徴を有する課題を解決するための手段を採用している。
【0007】
請求項1に記載された発明は、正弦波出力を与える交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法であって、該正弦波出力の各周期の一部のデュレーションを変えることによって、該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を変化させ、該正弦波出力の各周期の一部において該抵抗負荷を該交流電源に接続するステップからなり、該正弦波出力は整流され、該整流された出力が第1インダクタ及び該抵抗負荷の直列接続に供給され、該抵抗負荷は、該交流電源の少なくとも500倍の周波数で、該交流電源との接続と切断が行われ、そして該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を、該抵抗負荷を接続/切断する時間比率を変化させることによって変えることを特徴とする制御方法である。
【0008】
請求項2に記載された発明は、交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって、該抵抗負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ、制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ及び交流電源への接続に適合された入力と、第1インダクタ、該抵抗負荷及び該スイッチの直列接続に接続された出力とを有する整流ブリッジからなり、該コントローラは、該交流電源の少なくとも500倍の周波数をもつ制御信号を供給し、該スイッチは該制御信号によりスイッチが切り替えられ、そして、該コントローラは該制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを有することを特徴とする制御装置である。
【0009】
本発明によれば、スイッチの高周波切り替えにより生じる高周波ひずみが、インダクタを備える抑制回路において負荷の抵抗特性を有効的に利用することによって、効果的に抑えることが可能となる。高調波ひずみのかなりの減少により、所望の値1に近似した力率が得られる。さらに、高周波切り替えにより、負荷の接続/切断の時間比率を0〜100%までのすべての範囲で線形制御することができる。また、制御ステップはかなり少なくすることができる。本発明による制御装置は、交流電源のある出力電圧・周波数の範囲で設計可能である。
【0010】
また本発明による制御方法及び制御装置は、熱制御装置や調光器など様々な応用が可能である。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1を参照するに、本発明の実施例による、交流電源1から抵抗負荷2に供給される電力の制御装置の回路図が描かれている。交流電源1は、正弦波出力電圧及び電流を供給する。本発明による制御装置は、負荷2を電源1に接続するためのスイッチ3を備える。本実施例では、FET(Field Effect Transistor)、特に、MOSFET(Metal−Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)がスイッチ3として使用される。しかしながら、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やトランジスタのような、その他適切なタイプのスイッチが利用されうる。
【0012】
コントローラ4は、スイッチ3のオン・オフを切り替えるための制御信号をスイッチ3に送る。この制御信号は、一定の周波数で、かつ可変のデューティサイクル(duty cycle)をもつ。制御信号の周波数は、交流電源1の少なくとも500倍であることが好ましい。したがって、電源1が50Hzの標準的周波数を持つとき、制御信号の周波数は少なくとも25kHzとされる。好ましくは、制御信号の周波数は、50〜250kHzの範囲に設定される。このようにして、交流出力電圧の各周期内で、負荷2は何回も交流電源1に接続及び切断される。
【0013】
コントローラ4は、制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメント(control element)5を備える。デューティサイクルは、0〜100%まで変えられ、それによって、電源1から負荷2に供給される電力も0〜100%まで変化する。制御エレメント5は、手作業で調整されたエレメントであってもよいし、また他の適切なエレメントであってもよい。また、制御エレメントは、センサから受け取った1つ以上の入力信号に依存して、デューティサイクルをコントロールする電気制御回路の一部であってもよい。図1の実施例では、本発明による制御装置は、第1インダクタ(inductor)7、抵抗負荷2ならびにスイッチ3の直列接続にその出力が接続される整流ブリッジ(rectifier bridge)6を備える。整流ブリッジ6の入力は、第2インダクタ8を介して交流電源1に接続される。キャパシタ9としてのフリーホイールエレメント(freewheeling element)が、第1インダクタ、負荷2ならびにスイッチ3の直列接続と並列に整流ブリッジ6の出力に接続される。また、キャパシタ9は、整流ブリッジ6の入力に接続されてもよい。好ましくは、キャパシタ9は、EMC(Electromagnetic Compatibility)放射を抑えるために回路における高周波パスを減らすよう、図1に示されるように整流ブリッジ6の出力に接続されることが望ましい。この場合、スイッチ3がオフのとき、不必要な容量性電流が流れない。
【0014】
さらなるフリーホイールエレメント10は、第1インダクタ7と負荷2の直列接続と並列に接続される。図示された実施例では、フリーホイールエレメント10は、超高速リカバリタイプ(very fast recovery type)のダイオードである。
【0015】
動作中、抵抗負荷2は、スイッチ3のデューティサイクルにより制御された振幅をもつ整流化正弦波電圧を受け取る。図2に示されたフェーズにて、電源1の電圧V1が正でスイッチ3が閉じられているとき、負荷2を通じた電流ILは、スイッチ3がスイッチオフされるまで増加する。次のフェーズで、電圧V1は正でスイッチ3が開かれるとき、負荷電流ILは減少する。このフェーズで、負荷2は、閉じられた回路のインダクタ7に蓄えられたエネルギーを、フリーホイールエレメント10を通じて放散する。このフェーズの期間において、キャパシタ9は、インダクタ8のフリーホイールエレメントと同様の動作をする。
【0016】
図4及び5に示された第3及び4フェーズは、図2及び3のフェーズでの、電源の交流電流が整流ブリッジ6の他の2つのダイオードを通じて反対方向に流れるよう、電源1の電圧V1が負とされている場合に対応している。
【0017】
上述された制御装置の回路図では、負荷2の抵抗特性が高周波切り替えによる高周波ひずみの抑制に効果的に利用されている。この高周波ひずみ部分は、比較的高い周波数域にあるので、負荷2とインダクタ7により形成される抑制回路により効果的に抑えることができる。
【0018】
整流ブリッジ6は標準的なブリッジでよい。高い効率性を得るために、フリーホイールエレメント10は、超高速リカバリタイプである必要がある。上述のように、制御信号の周波数は、50〜250kHzの範囲にあることが好ましい。インダクタ7及び8のインピーダンス値は、50〜500μHの範囲にあることが好ましく、キャパシタ9のインピーダンス値は、100nFから2.2μFの範囲にあることが好ましい。図1に示された回路図に従う実施例で、切り替え周波数を100kHz、第1インダクタ7のインピーダンス値を500μH、第2インダクタ8のインピーダンス値を500μH、そしてキャパシタ9のインピーダンス値を100nFとしたとき、良好な結果が実験により得られた。このときの負荷2の抵抗値は10Ωであった。
【0019】
本発明は、そのような値の構成要素を有する実施例に制限されるものでなく、また与えられた実施例は請求の範囲内において様々な方法で変形されうる。
【0020】
【発明の効果】
本発明によれば、スイッチの高周波切り替えにより生じる高周波ひずみが、インダクタを備える抑制回路において負荷の抵抗特性を有効的に利用することによって、効果的に抑えることが可能となる。高調波ひずみのかなりの減少により、所望の値1に近似した力率が得られる。さらに、高周波切り替えにより、負荷の接続/切断の時間比率を0〜100%までのすべての範囲で線形制御することができる。また、制御ステップはかなり少なくすることができる。本発明による制御装置は、交流電源のある出力電圧・周波数の範囲で設計可能である。
【0021】
また本発明による制御方法及び制御装置は、熱制御装置や調光器など様々な応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例による制御装置の概略回路図である。
【図2】交流電源の交流電圧の1周期における第1のケースでの図1に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図3】交流電源の交流電圧の1周期における第2のケースでの図1に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図4】交流電源の交流電圧の1周期における第3のケースでの図1に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図5】交流電源の交流電圧の1周期における第4のケースでの図1に示された回路図での電流の流れを示す図である。
【図6】制御信号の第1のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図7】制御信号の第2のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図8】制御信号の第3のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【図9】制御信号の第4のデューティサイクルに対して、電源と負荷の交流電流を表した図である。
【符号の説明】
1 交流電源
2 抵抗負荷
3 スイッチ
4 コントローラ
5 制御エレメント
6 整流ブリッジ
7 第1インダクタ
8 第2インダクタ
9 キャパシタ
10 フリーホイールエレメント
Claims (6)
- 正弦波出力を与える交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御方法であって:
該正弦波出力の各周期の一部のデュレーションを変えることによって、該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を変化させ、該正弦波出力の各周期の一部において該抵抗負荷を該交流電源に接続するステップ;
からなり、
該正弦波出力は整流され、該整流された出力が第1インダクタ及び該抵抗負荷の直列接続に供給され、該抵抗負荷は、該交流電源の少なくとも500倍の周波数で、該交流電源との接続と切断が行われ、そして該交流電源から抵抗負荷に供給される電力を、該抵抗負荷を接続/切断する時間比率を変化させることによって変えることを特徴とする制御方法。 - 交流電源から抵抗負荷に供給される電力の制御装置であって:
該抵抗負荷を該交流電源に接続するためのスイッチ;
制御信号を該スイッチに与えるためのコントローラ;及び
交流電源への接続に適合された入力と、第1インダクタ、該抵抗負荷及び該スイッチの直列接続に接続された出力とを有する整流ブリッジ;
からなり、
該コントローラは、該交流電源の少なくとも500倍の周波数をもつ制御信号を供給し、該スイッチは該制御信号によりスイッチが切り替えられ、そして、該コントローラは該制御信号のデューティサイクルを変えるための制御エレメントを有することを特徴とする制御装置。 - 請求項2記載の制御装置であって、前記第1インダクタと抵抗負荷との直列接続と並列に、フリーホイールエレメントが接続されていることを特徴とする装置。
- 請求項2または3記載の制御装置であって、前記整流ブリッジの入力に、第2インダクタが直列接続されていることを特徴とする装置。
- 請求項2乃至4記載の何れか1項記載の制御装置であって、前記整流ブリッジに、好ましくは該整流ブリッジの出力に、並列にフリーホイールエレメントが接続されていることを特徴とする装置。
- 請求項2乃至5記載の何れか1項記載の制御装置であって、前記制御信号の周波数は、50〜250kHzの範囲にあることを特徴とする装置。
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