JP2005051939A

JP2005051939A - 電源装置

Info

Publication number: JP2005051939A
Application number: JP2003282265A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Yoshioka; 雄三吉岡
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】入出力電圧比（＝出力電圧の値／入力電圧の実効値）が高くても高効率で電力変換ができ尚かつ入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる電源装置を提供する。
【解決手段】入出力電圧比が高い場合はリレー７をオンにして倍電圧整流モードにする。これにより、入出力電圧比が高くても高効率で電力変換ができる。また、電圧検出回路３の一方の入力側と短絡回路４の一方の入力側を交流電源１に直結せずにリレー７を介して接続する。これにより、入出力電圧比が低い場合にリレー７をオフにして全波整流モードにすると電圧検出回路３及び短絡回路４に電圧が供給されなくなるので、入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置に関するものである。

入出力電圧比（＝出力電圧の値／入力電圧の実効値）が高くても高効率で電力変換ができるようにするために、全波整流モードと倍電圧整流モードを切り換える電源装置がある（例えば、特許文献１）。このような電源装置の一構成例を図２に示す。図２の電源装置は、リアクタ２と、電圧検出回路３と、短絡回路４と、四つのダイオード５ａ〜５ｄによって構成される整流回路５と、コンデンサ６ａ及び６ｂと、リレー７と、切換回路８と、電源制御回路９とを備えている。図２の電源装置の入力側に商用電源１が接続され、図２の電源装置の出力側にコンプレッサ等の負荷１０が接続される。

商用電源１の一端にリアクタ２の一端が接続され、リアクタ２の他端がダイオード５ａのアノードとダイオード５ｂのカソードとに接続される。商用電源１の他端にダイオード５ｃのアノードとダイオード５ｄのカソードとリレー７の一端が接続される。負荷１０の一端にダイオード５ａのカソードとダイオード５ｃのカソードとコンデンサ６ａの一端が接続され、負荷１０の他端にダイオード５ｂのアノードとダイオード５ｄのアノードとコンデンサ６ｂの一端が接続される。また、リレー７の他端が、コンデンサ６ａの他端とコンデンサ６ｂの他端とに接続される。

電圧検出回路３は商用電源１の出力電圧のゼロクロスを検出し、その検出結果を電源制御回路９に出力する。電圧検出回路３の一構成例を図３に示す。図３に示す電圧検出回路３はダイオード１１及び１２と、抵抗１３〜１６と、発光ダイオード１７ａ及びフォトトランジスタ１７ｂから成るフォトカプラ１７とを備えている。商用電源１の一端にダイオード１１のアノード及び抵抗１５の一端が接続され、商用電源１の他端にダイオード１２のアノード及び抵抗１６の一端が接続される。ダイオード１１のカソードが抵抗１３を介して、ダイオード１２のカソードが抵抗１４を介してそれぞれ発光ダイオード１７ａのアノードに接続される。抵抗１５の他端と抵抗１６の他端が発光ダイオード１７ａのカソードに接続される。また、フォトトランジスタ１７ｂのエミッタ及びコレクタが電源制御回路９に接続される。

短絡回路４は電源制御回路９からの指示に従ってリアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡／開放を切り換え、切換回路８は電源制御回路９からの指示に従ってリレー７のオン／オフを切り換える。

次に図２の電源装置の動作について説明する。まず、昇圧動作について説明する。商用電源１の出力電圧Ｅ₁、ゼロクロス信号Ｓ１、短絡信号Ｓ２、及び商用電源１の出力電流Ｉ₁のタイムチャートを図４に示す。商用電源１の出力電圧Ｅ₁を入力し、商用電源１の出力電圧Ｅ₁の絶対値が所定値以下の場合に電圧検出回路３に設けられるフォトカプラ１７がオフになり、商用電源１の出力電圧Ｅ₁の絶対値が所定値以下でない場合に電圧検出回路３に設けられるフォトカプラ１７がオンになる。電源制御回路９は、フォトトランジスタ１７ｂのコレクタ−エミッタ間電圧を入力し、その入力した電圧に基づいてフォトカプラ１７がオフである場合にＨｉｇｈレベルとなりフォトカプラ１７がオンである場合にＬｏｗレベルとなるゼロクロス信号Ｓ１を生成する。ここで、ゼロクロス信号Ｓ１のＨｉｇｈレベル区間は２Ｔｚであり、２Ｔｚの中間時点において商用電源１の出力電圧Ｅ₁がゼロクロスになる。

電源制御回路９は、ゼロクロス信号Ｓ１に基づいて商用電源１の出力電圧Ｅ₁がゼロクロスになる時点ｚｃ（以下、「ゼロクロス点ｚｃ」という）を求め、短絡回路４に出力する短絡信号Ｓ２のレベルをゼロクロス点ｚｃからＴ₀時間経過後にＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り換え、Ｈｉｇｈレベルに切り換えてからＴ₁時間経過後にＬｏｗレベルに戻す。短絡信号Ｓ２がＨｉｇｈレベルのとき、短絡回路４がリアクタ２の他端と商用電源１の他端とを短絡するので、図５に示す電流経路a （双方向）でリアクタ２に大きな電流が流れ、リアクタ２に磁気エネルギーが蓄積される。一方、短絡信号Ｓ２がＬｏｗレベルのとき、短絡回路４がリアクタ２の他端と商用電源１の他端とを開放するので、リアクタ２に蓄えられていた磁気エネルギーが放出され、図５に示す電流経路ｂでリアクタ２から整流回路５を経由してコンデンサ６ａ及び６ｂに電流が流れてコンデンサ６ａ及び６ｂが充電され、コンデンサ６ａ及び６ｂから成る直列接続体の両端電圧が昇圧する。ここで、Ｔ₀、Ｔ₁の値は予め実験やシミュレーション等で決定しておき、電源制御回路９内のメモリ（図示せず）に予め記憶しておく。また、Ｔ₀、Ｔ₁の少なくとも１つを変更することにより、昇圧する電圧値を変更することができる。なお、Ｔ₀、Ｔ₁の少なくとも１つを変更する方法としては、例えばＴ₀、Ｔ₁の値をメモリに複数記憶しておいてその中から一つを選択する方法やメモリに記憶しているＴ₀、Ｔ₁の値を補正する方法等が挙げられる。

続いて、昇圧動作を行っていない状態での全波整流モードの動作と倍電圧整流モードの動作について説明する。

リレー７がオフである場合、図２の電源装置の等価回路は図６に示すようになり、商用電源１の半周期毎に電流経路ｃと電流経路ｄとが切り替わり、コンデンサ６ａ及び６ｂから成る直列接続体の両端電圧は約１４０［Ｖ］となる。すなわち、リレー７がオフである場合に全波整流モードとなる。

一方、リレー７がオンである場合、図２の電源装置の等価回路は図７に示すようになり、商用電源１の半周期毎に電流経路ｅと電流経路ｆとが切り替わり、コンデンサ６ａ及び６ｂの両端電圧がそれぞれ約１４０［Ｖ］となるためコンデンサ６ａ及び６ｂから成る直列接続体の両端電圧は約２８０［Ｖ］となる。すなわち、リレー７がオンである場合に倍電圧整流モードとなる。

したがって、全波整流モードにおいて昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行うと、約１４０［Ｖ］に昇圧分を加えた値の電圧が負荷１０に出力され、倍電圧整流モードにおいて昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行うと、約２８０［Ｖ］に昇圧分を加えた値の電圧が負荷１０に出力される。

電源制御回路９は切換回路８を制御し負荷１０が所望する電圧に応じて全波整流モードと倍電圧整流モードを切り換える。負荷１０が所望する電圧が所定値以上である場合は倍電圧整流モードとなり、負荷１０に供給する電圧は所定値以上になる。また、負荷１０が所望する電圧が所定値未満である場合は全波整流モードとなり、負荷１０に供給する電圧は所定値未満になる。例えば、負荷１０がモータの場合、負荷１０が高回転や高負荷であるときは負荷１０が所望する電圧が所定値以上となるため倍電圧整流モードとなって負荷１０に供給する電圧の値は高くなり、負荷１０が低回転や軽負荷であるときは負荷１０が所望する電圧が所定値未満となるため全波整流モードとなって負荷１０に供給する電圧の値は低くなる。

このように入出力電圧比（＝負荷１０に供給する電圧の値／商用電源１の出力電圧Ｅ₁の実効値）が高い場合に倍電圧整流モードにすることで、入出力電圧比が高くてもリアクタ２の鉄損を小さくできるため高効率で電力変換ができる。
特開２０００−１８８８６７号公報

通常は、負荷１０が高電圧を必要とする状態である場合に倍電圧整流モードにして昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行い、全波整流モード（リレー７がオフ）にするときには省エネルギー運転等の制御をする場合がほとんどであり一般的に昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行う必要がない。

しかしながら、図２の電源装置においては、電圧検出回路３と短絡回路４が商用電源１に直結されているため、一般に昇圧動作を行わない全波整流モードにおいても、電圧検出回路３と短絡回路４とに電流が流れることになり、電圧検出回路３と短絡回路４とで無駄な電力が消費されることになる。

本発明は、上記の問題点に鑑み、入出力電圧比（＝出力電圧の値／入力電圧の実効値）が高くても高効率で電力変換ができ尚かつ入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る電源装置は、交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置であって、前記交流電源の一端にその一端が接続されるリアクタと、前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との短絡／開放を所定のタイミングで切り換えるスイッチ手段と、前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との両端電圧を直流電圧に変換する整流手段と、前記整流手段を全波整流モードと倍電圧整流モードとに切り換える切換手段と、前記整流手段が全波整流モードのときに前記スイッチ手段の一部又は全部への電圧供給を停止する手段と、を備える構成とする。

このような構成によると、入出力電圧比が高い場合に前記切換手段が前記整流手段を倍電圧整流モードにすることで、入出力電圧比が高くても前記リアクタの鉄損を小さくすることができ高効率で電力変換ができる。また、前記整流手段が全波整流モードのときに前記スイッチ手段の一部又は全部への電圧供給を停止する手段を備えるので、一般に昇圧動作を行わない全波整流モードにおいて前記スイッチ手段の一部又は全部に電流が流れなくなり、前記スイッチ手段での無駄な電力消費が低減される。したがって、入出力電圧比が低い場合に前記切換手段が前記整流手段を全波整流モードにすることで、入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる。

また、前記スイッチ手段が、前記リアクタの他端と前記交流電源の他端とを短絡／開放する短絡回路と、前記交流電源から出力される交流電圧の位相を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路の検出結果に応じて前記短絡回路を制御して前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との短絡／開放の切り換えタイミングを制御する制御回路と、を備えるようにする。このような構成によると、例えば倍電圧整流モードにおいて昇圧動作を行うときに前記交流電源の半周期毎に１回前記リアクタの他端と前記交流電源の他端を短絡する制御が可能となるので、前記スイッチ手段がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を用いなくて済む。ＰＷＭ制御を用いると、切り換え回数が増加するのでスイッチング喪失が増加し、また前記リアクタに高周波電流が流れるので鉄損が増加するため、前記スイッチ手段がＰＷＭ制御を用いないようにすることで入出力電圧比が高い場合における消費電力の低減を図ることができる。

また、前記負荷に供給する直流電圧が所定値以上のときに前記整流手段が倍電圧整流モードとなり、前記負荷に供給する直流電圧が所定値未満のときに前記整流手段が全波整流モードとなるようにする。これにより、入出力電圧比が高い場合は前記切換手段が前記整流手段を倍電圧整流モードにするので、入出力電圧比が高くても前記リアクタの鉄損を小さくすることができ高効率で電力変換ができる。また、入出力電圧比が低い場合に前記切換手段が前記整流手段を全波整流モードにするので、入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる。

本発明によると、入出力電圧比が高くても高効率で電力変換ができ尚かつ入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる電源装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。本発明に係る電源装置の一構成例を図１に示す。尚、図１において図２と同一の部分には同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

図１の電源装置が図２の電源装置と異なる点は、電圧検出回路３と短絡回路４が商用電源１に直結されていないことである。図１の電源装置では、電圧検出回路３の一方の入力側が交流電源１の一端に接続され、短絡回路４の一方の入力側がリアクタ２を介して交流電源１の一端に接続され、電圧検出回路３の他方の入力側と短絡回路４の他方の入力側がリレー７を介して交流電源１の他端に接続されている。

このような構成によると、リレー７がオンである倍電圧整流モードのときは電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給され、リレー７がオフである全波整流モードのときは電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されない。したがって、一般に昇圧動作を行わない全波整流モードにおいて電圧検出回路３と短絡回路４とに電流が流れなくなり、電圧検出回路３と短絡回路４とで無駄な電力が消費されなくなる。

図１の電源装置の昇圧動作は図２の電源装置の昇圧動作と同一であるので説明を省略する。また、図１の電源装置の昇圧動作を行っていない状態での全波整流モードの動作と倍電圧整流モードの動作は図２の電源装置の昇圧動作を行っていない状態での全波整流モードの動作と倍電圧整流モードの動作と同一であるので説明を省略する。

全波整流モードでは電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されないため、昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）が行われることがない。したがって、全波整流モードでは約１４０［Ｖ］の電圧が負荷１０に出力される。

一方、倍電圧整流モードでは電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されているため、昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行うことができる。倍電圧整流モードにおいて昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行うと、約２８０［Ｖ］に昇圧分を加えた値の電圧が負荷１０に出力され、倍電圧整流モードにおいて昇圧動作（リアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡・開放の繰り返し）を行わないと、約２８０［Ｖ］の電圧が負荷１０に出力される。

このように入出力電圧比（＝負荷１０に供給する電圧の値／商用電源１の出力電圧Ｅ₁の実効値）が高い場合に倍電圧整流モードにすることで、入出力電圧比が高くてもリアクタ２の鉄損を小さくできるため高効率で電力変換ができる。また、このように入出力電圧比が低い場合に全波整流モードにすることで、上述したように電圧検出回路３と短絡回路４とに電流が流れなくなるので、入出力電圧比が低い場合における消費電力の低減を図ることができる。

上述した実施形態では全波整流モードのときに電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されない構成としたが、電圧検出回路３及び短絡回路４のいずれか一方を商用電源１に直結して全波整流モードのときに商用電源１の出力電圧を電圧検出回路３と短絡回路４のいずれか一方に供給し他方に供給しない構成としても入出力電圧比が低い場合における消費電力を従来の電源装置に比べて低減することができる。この場合、リアクタ２の他端と商用電源１の他端とが開放しているときは短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されても短絡回路４に流れる電流は微少であるため、短絡回路４を商用電源１に直結することが望ましい。尚、当然の事ながら、入出力電圧比が低い場合における消費電力を最も低減することができるのは、全波整流モードのときに電圧検出回路３及び短絡回路４に商用電源１の出力電圧が供給されない構成である。

また、上述した実施形態では倍電圧整流モードにおいて昇圧動作を行うときに商用電源１の半周期毎に１回リアクタ２の他端と商用電源１の他端とが短絡されたが、電圧検出回路３を取り除き、電源制御回路９が短絡回路４によるリアクタ２の他端と商用電源１の他端との短絡／開放をＰＷＭ制御するようにしてもよい。この場合、電源制御回路９内に三角波発振回路や比較器等から成るＰＷＭ信号生成回路が設けられるが、入出力電圧比が低い場合における電源制御回路９の消費電力を低減するために全波整流モードのときに当該ＰＷＭ信号生成回路に電力が供給されないようにすることが望ましい。例えば、当該ＰＷＭ信号生成回路と駆動電源との間にスイッチを設け、当該スイッチを切換回路８が制御することによって、全波整流モードのときに当該ＰＷＭ信号生成回路に電力が供給されないようにすることができる。

は、本発明に係る電源装置の一構成例を示す図である。は、従来の電源装置の一構成例を示す図である。は、図２の電源装置が備える電圧検出回路の一構成例を示す図である。は、図２の電源装置における各部信号のタイムチャートである。は、図２の電源装置の昇圧動作における電流経路を示す図である。は、図２の電源装置の全波整流モードにおける電流経路を示す図である。は、図２の電源装置の倍電圧整流モードにおける電流経路を示す図である。

符号の説明

１商用電源
２リアクタ
３電圧検出回路
４短絡回路
５整流回路
６ａ、６ｂコンデンサ
７リレー
８切換回路
９電源制御回路
１０負荷
１１、１２ダイオード
１３〜１６抵抗
１７フォトカプラ

Claims

交流電源から出力される交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する電源装置であって、
前記交流電源の一端にその一端が接続されるリアクタと、
前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との短絡／開放を所定のタイミングで切り換えるスイッチ手段と、
前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との両端電圧を直流電圧に変換する整流手段と、
前記整流手段を全波整流モードと倍電圧整流モードとに切り換える切換手段と、
前記整流手段が全波整流モードのときに前記スイッチ手段の一部又は全部への電圧供給を停止する手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
前記スイッチ手段が、
前記リアクタの他端と前記交流電源の他端とを短絡／開放する短絡回路と、
前記交流電源から出力される交流電圧の位相を検出する電圧検出回路と、
前記電圧検出回路の検出結果に応じて前記短絡回路を制御して前記リアクタの他端と前記交流電源の他端との短絡／開放の切り換えタイミングを制御する制御回路と、
を備える請求項１に記載の電源装置。
前記負荷に供給する直流電圧が所定値以上のときに前記整流手段が倍電圧整流モードとなり、前記負荷に供給する直流電圧が所定値未満のときに前記整流手段が全波整流モードとなる請求項１又は請求項２に記載の電源装置。