JP2006148994A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で高力率を維持しながら高調波の抑制を可能とする出力電圧可変電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源１と、交流電源１からの交流を全波整流する4個のダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、交流電源１と前記ブリッジ整流回路６の交流入力端６aとの間に接続されたリアクタ８と、交流入力端６bと直流出力端６dとの間に双方向スイッチ９を介して接続されたコンデンサ１０と、平滑コンデンサ７と、前記双方向スイッチ９と前記コンデンサ１０の接続間９ａと前記平滑コンデンサ７との間に接続されたダイオード１５と、ゼロクロス検出手段１２と、双方向スイッチ駆動信号生成手段１３と、双方向スイッチ駆動手段１４を備えたものである。これにより、コンデンサ１０の残留電荷が双方向スイッチ９を通って流れることがなくなり、双方向スイッチ９の素子の小型化と、電源系統への負担軽減を可能とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブリッジ整流回路を利用した整流方式で、力率改善のために半導体スイッチを備え、装置・システム等に電力を供給する電源装置に関するものである。

従来は図４に示すように、交流電源１からの交流を全波整流する4個のダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、前記ブリッジ整流回路６の直流出力端に接続された平滑コンデンサ７とを有し、前記交流電源１とブリッジ整流回路６の交流入力端との間に接続されたリアクタ８と、前記ブリッジ整流回路６の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチ９を介して接続されたコンデンサ１０を設けた電源装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

前記双方向スイッチ９を適切な位相および導通幅で導通させることにより、入力電流の高調波の抑制と高力率化が両立でき、かつ交流電源の電圧ピーク値以上の直流出力電圧が得られ、しかもその出力電圧値が制御可能となる。
特開２００２−２２３５７１号公報

しかしながら、前記従来の電源装置では、動作中に交流電源１が遮断されたときに平滑コンデンサ７の電荷が放電され、双方向スイッチ９に駆動信号が入力されるとコンデンサ１０の電荷が前記双方向スイッチ９を介して平滑コンデンサ７へ流れるため、双方向スイッチ素子の大型化が必要であると共に、電源系統にも負担をかけるという問題があった。

本発明の電源装置は、前記従来の問題を解決するものであり、双方向スイッチ素子の小型化と、電源系統への負担軽減とが両立できる電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の電源装置は、双方向スイッチ９とコンデンサ１０の接続間と平滑コンデンサ７との間に接続されたダイオードを設けたものである。

この構成により、交流電源１が遮断されたときに双方向スイッチ９に駆動信号が入力されてもコンデンサ１０の電荷が前記双方向スイッチ９を介さずに平滑コンデンサ７へ流れるため、双方向スイッチ素子の小型化と、電源系統への負担軽減が可能となる。

本発明の電源装置は、双方向スイッチとコンデンサの接続間と平滑コンデンサとの間に接続されたダイオードを設けたことにより、双方向スイッチ素子の小型化と、電源系統への負担軽減が可能となる。

第１の発明は、交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する電源装置であって、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記双方向スイッチと前記コンデンサの接続間と前記平滑コンデンサとの間に接続されたダイオードと、前記交流電源の
電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段の出力に基づき前記双方向スイッチの駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成手段と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段の信号に基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向スイッチ駆動手段を備えたものである。

この構成により、交流電源が遮断されたときに双方向スイッチに駆動信号が入力されてもコンデンサの残留電荷が前記双方向スイッチを介さずに平滑コンデンサへ流れ、双方向スイッチには流れないため、双方向スイッチ素子の小型化と、電源系統への負担軽減が可能となる。

第２の発明は、ゼロクロス検出手段がゼロ点を検出した後、交流電源の周期により決められた所定の時間後以外にゼロ点を検出した時、双方向スイッチの駆動信号を生成しない制御としたものである。これにより、コンデンサの残留電荷が誤って双方向スイッチを通って平滑コンデンサに流れるのを、さらに確実に防止することができる。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１における電源装置の構成例を示す。図１において、４つのダイオード２〜５で形成されたブリッジ整流回路６と、交流電源１とを備えている。交流電源１とブリッジ整流回路６の交流入力端との間にはリアクタ８が、ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間にはコンデンサ１０が接続されている。

図１（ａ）、（ｂ）に示した構成図では、コンデンサ１０はブリッジ整流回路６の交流入力端６ａまたは６ｂと、負の直流出力端６ｄとの間に双方向スイッチ９を介して接続されている。双方向スイッチ９とコンデンサ１０の接続間９ａと平滑コンデンサ７との間に接続されたダイオード１５のアノードは９ａにカソードはブリッジ整流回路６の正の直流出力端６ｃに接続されている。

図１（ｃ）、（ｄ）に示した構成図では、コンデンサ１０はブリッジ整流回路６の交流入力端６ａまたは６ｂと、正の直流出力端６ｃとの間に双方向スイッチ９を介して接続されている。双方向スイッチ９とコンデンサ１０の接続間９ａと平滑コンデンサ７との間に接続されたダイオード１５のカソードは９ａにアノードはブリッジ整流回路６の負の直流出力端６ｃに接続されている。

また、ブリッジ整流回路６の正の直流出力端６ｃと、負の直流出力端６ｄとの間には、平滑コンデンサ７が接続されている。この平滑コンデンサ７により、ブリッジ整流回路６によって得られた変化の激しい直流を滑らかな直流にすることができる。

さらに、交流電源１の電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段１２と、前記ゼロクロス検出手段１２の出力に基づき、双方向スイッチ９の駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成手段１３と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段１３の出力に基づき双方向スイッチ９の駆動を行う双方向スイッチ駆動手段１４を有している。なお、図１（ｂ）ではゼロクロス検出手段１２、双方向スイッチ駆動信号生成手段１３、双方向スイッチ駆動手段１４の記載を省略している。

図２（ａ）〜（ｄ）を用いて、図１（ａ）に示した電源装置の動作について説明する。図２（ａ）、（ｂ）は、交流入力電圧Ｖｉが正の半周期の間を示し、図２（ｃ）、（ｄ）は、負の半周期の間を示している。

以上の構成において、交流入力電圧Ｖｉの正の交流半周期のゼロクロス直後では双方向スイッチ９はオフされており、直流出力電圧Ｖｏが交流入力電圧Ｖｉより高く、ダイオー
ド２、５が逆バイアスされているため入力電流は流れない。なお、この時コンデンサ１０は前周期で充電された結果、図示の極性で電圧Ｖｃ１を有する。交流入力電圧Ｖｉの負から正へのゼロクロス点から時間Δｄ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は双方向スイッチ９のオン信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオンされると、図２（ａ）の矢印に示すように電流が流れる。すなわち交流電源１から順に、リアクタ８、ダイオード２、平滑コンデンサ７、コンデンサ１０に電流が流れ、コンデンサ１０は放電してその電圧はＶｃ１より低下する。なお、この双方向スイッチ９のオン時点で交流入力電圧Ｖｉとコンデンサ１０の電圧Ｖｃ１の和が平滑コンデンサ７の電圧Ｖｏより大きくなるようにΔｄを選ぶものとする。そして、双方向スイッチ９のオン時点から時間Δｔ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は双方向スイッチ９のオフ信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオフされると、コンデンサ１０はその時点の電圧Ｖｃ２を保持しながら、電流は図２（ｂ）に示すように交流電源１からリアクタ８、ダイオード２、平滑コンデンサ７、ダイオード５の順に流れ、交流入力電圧Ｖｉの低下によりやがてゼロとなる。

交流入力電圧Ｖｉの負の交流半周期のゼロクロス直後では双方向スイッチ９はオフされており、直流出力電圧Ｖｏが交流入力電圧Ｖｉより高く、ダイオード３、４が逆バイアスされているため入力電流は流れない。交流入力電圧Ｖｉの正から負へのゼロクロス点からΔｄ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は双方向スイッチ９のオン信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオンされると、図２（ｃ）の矢印に示すように電流が流れる。すなわち交流電源１から順に、コンデンサ１０、ダイオード３、リアクタ８と電流が流れ、コンデンサ１０は充電される。そして、双方向スイッチ９のオン時点からΔｔ後に双方向スイッチ駆動信号生成手段１３は双方向スイッチ９のオフ信号を生成し、双方向スイッチ駆動手段１４により双方向スイッチ９がオフされると、コンデンサ１０は電圧Ｖｃ１まで充電された状態でその電圧を保持し、電流は図２（ｄ）に示すように交流電源１から、ダイオード４、平滑コンデンサ７、ダイオード３、リアクタ８の順に流れ、交流入力電圧Ｖｉの低下によりやがてゼロとなる。

以上のようにコンデンサ１０を充放電させることにより、入力電圧のゼロクロスに近いところから入力電流を流して、高力率化を図るものである。

図３を用いて、図１（ａ）に示した電源装置動作中に交流電源１が遮断されたときの動作ついて説明する。

図１（ａ）に示した電源装置動作中にはコンデンサ１０の電圧より平滑コンデンサ７の電圧の方が高くなるため、ダイオード１５は逆バイアスになり電流は流れない。しかしブレーカ１６がＯＦＦされ交流電源１が遮断されると平滑コンデンサ７の電荷が放電され、コンデンサ１０の電圧の方が高くなりダイオード１５は順バイアスとなる。コンデンサ１０の電荷はダイオード１５を介して平滑コンデンサ７に放電されることになる。これにより、コンデンサ１０の電荷が双方向スイッチ９を通って放電されることがなくなり、双方向スイッチ９の素子の小型化と、電源系統への負荷軽減が可能となる。

なお、図１（ａ）に示した電源装置の動作について説明したが、図１（ｂ）〜（ｄ）に示したいずれの電源装置についても動作は同様である。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２おける電源装置は、実施の形態１において、先にゼロ点を検出した後、交流電源の周期により決められた所定の時間後以外のタイミングにゼロクロス検出手段１２がゼロクロス点を検出した時、双方向スイッチ駆動信号生成手段１３が双方向スイッチ９のオン信号を生成しないものである。

これにより、電源装置動作中に交流電源１が遮断された時に交流電源１の残留電荷により所定の時間より遅れてゼロクロス検出手段１２がゼロクロス点を検出した時または何らかのノイズにより所定の時間よりも早くゼロクロス点を検出した時には、双方向スイッチ駆動信号生成手段１３が双方向スイッチ９のオン信号を生成しないため、コンデンサ１０の電荷はダイオード１５を介して平滑コンデンサ７に放電されることになる。そして、実施の形態１での効果をさらに確実にすることができる。

以上のように、本発明の電源装置は、力率を改善して、双方向スイッチ素子の小型化と、電源系統への負担軽減が可能となるので、各種の装置・システム等に電力を供給する電源装置に適用できる。

本発明の実施の形態１における電源装置の構成図 本発明の実施の形態１における電源装置の動作説明図 本発明の実施の形態１における電源装置の電源遮断時の動作説明図 従来の電源装置の構成図

符号の説明

１ 交流電源
２、３、４、５ ダイオード
６ ブリッジ整流回路
７ 平滑コンデンサ
８ リアクタ
９ 双方向スイッチ
１０ コンデンサ
１２ ゼロクロス検出手段
１３ 双方向スイッチ駆動信号生成手段
１４ 双方向スイッチ駆動手段
１５ ダイオード
１６ 電源ブレーカ

Claims (2)

1. 交流電源と、前記交流電源からの交流を全波整流する4個のダイオードで形成されたブリッジ整流回路と、前記ブリッジ整流回路の直流出力端に接続された平滑コンデンサとを有する電源装置であって、前記交流電源と前記ブリッジ整流回路の交流入力端との間に接続されたリアクタと、前記ブリッジ整流回路の交流入力端と直流出力端との間に双方向スイッチを介して接続されたコンデンサと、前記双方向スイッチと前記コンデンサの接続間と前記平滑コンデンサとの間に接続されたダイオードと、前記交流電源の電圧のゼロ点を検出するゼロクロス検出手段と、前記ゼロクロス検出手段の出力に基づき前記双方向スイッチの駆動信号を生成する双方向スイッチ駆動信号生成手段と、前記双方向スイッチ駆動信号生成手段の信号に基づき前記双方向スイッチを駆動する双方向スイッチ駆動手段を備えたことを特徴とする電源装置。
2. ゼロクロス検出手段がゼロ点を検出した後、交流電源の周期により決められた所定の時間後以外にゼロ点を検出した時、前記双方向スイッチの駆動信号を生成しないことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。