JP2006262661A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ゼロクロス検出のばらつきを抑えて、常に高力率な状態で動作する直流電源装置を提供する。
【解決手段】フォトカプラ１０からなるゼロクロス検出手段８を備えて、交流電源１を電源の半周期毎に少なくとも１回、リアクタ６を介してスイッチング手段７にて短絡・開放する直流電源装置において、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号のパルス幅を検出し、予め第１の記憶手段９ｃに前記ゼロクロス検出信号のパルス幅毎に記憶されたゼロクロス補正時間に基いて得られるゼロクロス補正時間を用いて、スイッチング手段７を動作させるタイミングを補正することにより、フォトカプラ１０のＣＴＲばらつきによるゼロクロス検出手段８の検出タイミングばらつきを抑制して、交流電源１を短絡・開放する電源位相を一定に保つ。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷に供給する直流電源装置に関するものである。

従来、交流電源の電圧を直流電圧に変換して負荷へ供給する直流電源装置として、交流電源のゼロクロス点を検出し、交流電源のゼロクロス点付近で、交流電源をリアクタを介して一定時間短絡することで力率を改善しつつ、高い直流出力電圧を得ることができるものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、特許文献１に記載された従来の直流電源装置の構成を示すものである。図１０に示すように、従来の直流電源装置は、交流電源１と、交流電源１からの交流電圧を整流する第１のダイオードブリッジ３１と、平滑用コンデンサ３２，３３，３４とを備えて倍電圧整流回路を構成している。さらに、交流電源１の両端には、リアクタ６を介して第２のダイオードブリッジ３５およびスイッチング素子３６が接続されている。

また交流電源１の両端には、ゼロクロス検出手段８が具備されており、力率改善手段３７は、交流電源１の半周期毎に、ゼロクロス検出手段８によって交流電源１のゼロクロス点を検出し、ゼロクロス点から所定の時間だけスイッチング素子３６をオンし、その後オフすることで、交流電源１からの入力電流の導通幅を拡大し、力率を改善するとともに、リアクタ６に蓄えられたエネルギーを平滑コンデンサ３２，３３，３４へ供給することで、倍電圧整流回路よりも高い直流出力電圧を得ることができる。

ゼロクロス検出手段８では一般に、安価な構成とするために、交流電源１と制御手段９との間における絶縁のため、フォトカプラが用いられる。

また、特許文献１に記載の従来の直流電源装置は、インバータ回路２１およびインバータ回路２１により駆動される電動機２２を負荷に備えており、インバータ回路２１を制御するインバータ制御手段２３におけるパルス幅変調制御信号のデューティ比に基いてスイッチング素子３６の短絡開始時刻および短絡期間を決定することで、負荷状態に応じて力率を改善することができる。
特開平１０−２０１２４８号公報

しかしながら、前記従来のゼロクロス検出手段８にフォトカプラを用いた回路では、ゼロクロス検出手段８より得られるゼロクロス検出信号は、信号の両エッジ間に交流電源１の真のゼロクロス点を内包する、有限の幅をもつパルス出力となる。一般にフォトカプラは、ＣＴＲとよばれる電流増幅率のばらつきが２〜３倍と大きいため、実際にパルス信号として得られるゼロクロス検出信号のエッジ検出タイミングと真のゼロクロス点間の時間は、数十μｓから数百μｓ程度のばらつきを有する。

上記のばらつきは、交流電源１の半周期毎にリアクタ６を介して交流電源１を短絡・開放し、昇圧する上記方式の直流電源装置においては、スイッチング素子３６を短絡する位相がずれる原因となる。その結果、直流電源装置の力率に影響を与え、場合によっては力率の低下をもたらす原因となる。特に電源半周期に複数回、交流電源１を短絡・開放する直流電源装置では、電源電圧の高い位相においてもスイッチング素子３６を短絡・開放す
るため、位相のずれによって生じる力率低下の影響が大きくなりやすい。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、かかるスイッチングタイミングの位相ずれによって生じる力率の低下を防止し、常に高力率を保つことができる直流電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、ゼロクロス検出手段から出力されるパルス信号状のゼロクロス検出信号のパルス幅を検出し、予め第１の記憶手段に、パルス幅に応じて記憶されたゼロクロス補正時間をもって、スイッチング手段の短絡・開放のタイミングを補正するものである。

また、本発明の直流電源装置は、ゼロクロス補正時間を、ゼロクロス検出手段からのパルス信号のパルス幅と、前記パルス幅毎に予め定められた比率の積によって算出され、前記比率は、前記パルス信号のパルス幅が広くなるほど、大きくなるように設定されるものである。

これにより、ゼロクロス検出手段におけるばらつきの主要因であるフォトカプラのばらつきを補正することができるため、交流電源の電源位相に正確にタイミングを合わせてスイッチング手段の短絡・開放を行うことができる。

また、本発明の直流電源装置は、ゼロクロス補正時間を記憶する記憶手段を備え、記憶手段に記憶された補正時間によってスイッチング手段の短絡・開放のタイミングを補正するものである。

これにより、ゼロクロス検出信号の終了タイミングよりも早いタイミングよりスイッチング素子を短絡開始することができる。

さらに、本発明の直流電源装置は、負荷に応じてスイッチング素子を短絡する動作を行わない動作モードを備え、短絡動作を行わない動作モード時において、ゼロクロス補正時間を算出し、算出したゼロクロス補正時間を記憶手段に記憶するものである。

本発明の直流電源装置は、ゼロクロス検出手段において、ゼロクロス補正時間を設けて、フォトカプラのばらつきによる影響を抑制することで、交流電源の真のゼロクロス点を正確に検出することができ、その結果、交流電源を常に最適な電源位相にて、リアクタを介して短絡・開放することができるため、直流電源装置の力率を常に高く維持することができる。

第１の発明は、フォトカプラを用いて、交流電源の半周期毎に、両エッジ間に交流電源の真のゼロクロス点を内包するパルス信号を出力するゼロクロス検出手段を備え、前記ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号をトリガとして、前記交流電源を交流電源の半周期毎に少なくとも１回、リアクタを介してスイッチング手段によって短絡・開放させる直流電源装置において、ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号のパルス幅を検出し、予め、第１の記憶手段内に記憶された、前記パルス信号のパルス幅に応じて定められたゼロクロス補正時間の関係を用いてゼロクロス補正時間を得て、前記ゼロクロス補正時間に基いて、前記スイッチング手段を短絡・開放させるタイミングを補正することによって、フォトカプラによるゼロクロス検出のばらつきを、ゼロクロス補正時間によって、交流電源の半周期毎に補正することができ、交流電源の決まった電源位相において、スイッチ
ング動作をすることができ、力率のばらつきを抑えて常に高い力率状態で動作させることができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、ゼロクロス補正時間は、前記ゼロクロス検出手段からのパルス信号のパルス幅と、前記パルス幅毎に予め定められた比率の積によって算出され、前記比率は、前記パルス信号のパルス幅が広くなるほど、大きくなるように設定されることによって、フォトカプラのＣＴＲばらつきに応じたオフ時間のばらつきまで補正することができるため、得られる力率のばらつきをより小さくした状態で動作させることが可能となる。

第３の発明は、特に第１または第２の発明において、ゼロクロス補正時間を記憶する記憶手段を備え、前記交流電源の半周期毎に、第２の記憶手段に記憶されたゼロクロス補正時間によって、前記スイッチング手段を短絡・開放させるタイミングを補正することによって、ゼロクロス検出手段から出力されるパルス信号が終了するよりも早いタイミングから、スイッチング手段を短絡開始することができることから、交流電源の真のゼロクロス点から交流電源を短絡することによって、入力電流の導通幅を最大限に広げることができるため、さらに高力率な状態において、電源を動作させることが可能となる。

第４の発明は、特に第１〜３に記載のいずれか１つの発明において、直流電圧を供給する負荷の状況に応じて、交流電源の半周期毎に短絡させる動作を停止する動作モードを有し、短絡動作を停止する動作モード時において、前記ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号より、ゼロクロス補正時間を求めて、得られたゼロクロス補正時間を前記第２の記憶手段に記憶することによって、実際に交流電源を短絡・開放する動作モードにおいて、ゼロクロス検出手段における処理内容を簡略化することができるため、制御に用いるマイコンに要する演算時間の高速性をさほど必要とせずに動作させることができ、より安価なシステムで、フォトカプラのばらつきを抑えて力率を高く維持することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における直流電源装置の構成を示すものである。図１に示すように、本発明の直流電源装置は、交流電源１の交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２の一方の交流入力端から整流回路２の各々の直流出力端との間にそれぞれ接続された第１のコンデンサ３、第２のコンデンサ４を備えており、整流回路２と、互いに直列に接続された第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ３とによって倍電圧整流回路を構成し、負荷５へ直流電圧を供給している。

さらに、交流電源１と整流回路２の交流入力端との間にはリアクタ６が接続され、交流電源１がリアクタ６を介して短絡されるように、ダイオードブリッジやＭＯＳＦＥＴ・ＩＧＢＴなどから構成される双方向性のスイッチング手段７が設けられる。

また、交流電源１の両端には、交流電源１のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段８が接続され、ゼロクロス検出手段８にて検出されたゼロクロス点をトリガとして、マイコン等で構成される制御手段９は、制御手段９内に設けられたタイミング補正手段９ａによって、タイミングを補正した後、駆動信号生成手段９ｂにおいて、スイッチング手段７を駆動する駆動信号を生成し、電源半周期毎に少なくとも１回スイッチング手段７を短絡・開放する。

図２にゼロクロス検出手段８の具体的な回路の一例を示す。ゼロクロス検出手段８と、
制御手段９との間の絶縁には、フォトカプラ１０が用いられる。フォトカプラ１０の一次側は、フォトカプラ１０を駆動するのに必要な入力電流が得られるように数十ｋΩ程度の抵抗１１を介して交流電源１に接続される。

なお、図２においてフォトカプラ１０は、交流入力タイプのものを用いているが、直流入力タイプのフォトカプラを逆向きにして並列接続しても構わない。

フォトカプラ１０の２次側は、制御手段９であるマイコンの入力ポートにて信号の検出ができるように、制御手段９に供給される直流電圧によってプルアップされる。

図３にゼロクロス検出信号とスイッチング手段の駆動信号との関係を表すタイミングチャートを示す。制御手段９は、ゼロクロス検出手段８から出力されるパルス状の信号である、ゼロクロス検出信号の開始エッジ(図３では立ち下がりエッジ)を検出したタイミングから、ゼロクロス検出信号のパルス幅に応じて、予め制御手段９内に記憶されているゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖと、負荷５に応じて定められた、真のゼロクロス点からスイッチング手段を短絡するまでの時間Ｔｄとの和Ｔｄｒ（＝Ｔｒｅｖ＋Ｔｄ）だけ経過したタイミングよりスイッチング手段の短絡を開始し、負荷５の状態に応じてオン時間Tｗを調整する。

次にゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖの算出方法について記述する。予め、フォトカプラのＣＴＲ毎に、ゼロクロス検出信号のパルス幅と、ゼロクロス補正時間との関係を求めておき、この関係を制御手段９内の第１の記憶手段９ｃに記憶される。

図４（ａ）に、ゼロクロス検出信号のパルス幅に対するゼロクロス補正時間の関係を表す関係図を示す。制御手段９は、ゼロクロス検出手段８より得られたゼロクロス検出信号のパルス幅Ｔｚより、第１の記憶手段９ｃ内に予め記憶された図４（ａ）の関係に基いてゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを求めることで、フォトカプラ１０によるゼロクロスタイミングのずれを補正することができる。

以上のように、本発明は、ゼロクロス検出手段８における主要なばらつき要因であるフォトカプラのばらつきを、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号のパルス幅に応じて補正することによって、力率のばらつきを抑えて常に高力率な動作を実現することができる。

特に、電源の半周期毎に複数回のスイッチングを行う直流電源装置においては、スイッチングを行う電源位相における電源電圧が高いために、スイッチングを行う電源位相のずれによる力率への影響は高くなるため、このような直流電源装置においてその効果はより大きくなる。

なお、上記のゼロクロス検出信号のパルス幅に対するゼロクロス補正時間の関係は、必要とされる補正時間の精度に応じて図４（ｂ）のように階段状に設定しても構わない。

また、本実施の形態におけるゼロクロス検出手段８から出力されるパルス信号は、図２に示したように、交流電源１のゼロクロス付近でＬｏ出力、その他でＨｉ出力となる構成例を示したが、その出力側にトランジスタなどを設けて論理を反転させた場合についても、ゼロクロス検出手段８におけるばらつきは、フォトカプラ１０のばらつきによる影響が支配的であり、同様の効果が得られることは言うまでもない。

（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態の直流電源装置の構成は、図１に示した実施の形態１におけ
る構成と同じであるため、説明を省略する。本実施の形態の直流電源装置は、制御手段９において、ゼロクロス検出手段８から出力されるパルス信号のパルス幅を検出し、得られたパルス幅Ｔｚに、予めパルス幅毎に定められた比率αを積算した値をゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖ（＝Ｔｚ×α）とするものである。

図５は、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号のパルス幅に対する比率αの関係を表す関係図である。図５に示すように、パルス幅毎に定められた比率αは、パルス幅Ｔｚが大きくなるほど、大きくなるように設定される。一般にフォトカプラ１０のオフ時のスイッチング速度は、オン時に比べて遅く、その速度は、電流増幅率であるＣＴＲが大きいほど遅くなる。

図６に、ＣＴＲが高い場合のタイミングチャートを、図７にＣＴＲが低い場合のタイミングチャートを示す。図６に示すように、フォトカプラ１０のＣＴＲが高い場合には、交流電源１の電源電圧が低い電源位相においてフォトカプラ１０がオンするために、ゼロクロス検出手段８が出力するパルスの幅は狭くなる。また、フォトカプラ１０のオフ時間が長くなるために、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号パルスに対する交流電源１の真のゼロクロス点の位置は、相対的にパルスの手前側に近づく。

逆に図７のようにＣＴＲが低い場合には、交流電源１の電源電圧が高い電源位相においてフォトカプラ１０がオンするため、ゼロクロス検出信号のパルス幅は広くなる。さらに、フォトカプラ１０のオフ時間が短くなるため、ゼロクロス検出信号パルスに対する交流電源１の真のゼロクロス点の位置は、相対的にパルスの後方(パルスの中央側)へ近づくことになる。

したがって、ゼロクロス検出手段８から得られるパルス幅Ｔｚが広くなるほど、パルス幅Ｔｚに対するゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖの比率αを高く設定することによって、フォトカプラ１０のＣＴＲばらつきによる影響を抑制することができ、精度よくゼロクロス検出手段１０におけるタイミングばらつきを抑えて、常に高力率の動作状態において直流電源装置を運転することができる。

(実施の形態３)
図８に、本発明の実施の形態３における直流電源装置の構成を示す。本実施の形態における直流電源装置は、実施の形態１、２と同様に、交流電源１の交流電圧を整流する整流回路２と、整流回路２の一方の交流入力端から整流回路２の各々の直流出力端との間にそれぞれ接続された第１のコンデンサ３、第２のコンデンサ４を備えており、整流回路２と、互いに直列に接続された第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ３とによって倍電圧整流回路を構成し、負荷５へ直流電圧を供給している。

さらに、交流電源１と整流回路２の交流入力端との間にはリアクタ６が接続され、交流電源１がリアクタ６を介して短絡されるように、ダイオードブリッジやＭＯＳＦＥＴ・ＩＧＢＴなどから構成される双方向性のスイッチング手段７が設けられる。

また、交流電源１の両端には、交流電源１のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出手段８が接続されており、マイコン等で構成される制御手段９は、制御手段９内に設けられたタイミング補正手段９ａによって、タイミングを補正した後、駆動信号生成手段９ｂにおいて、スイッチング手段７を駆動する駆動信号を生成し、電源半周期毎に少なくとも１回スイッチング手段７を短絡・開放する。

さらに、本発明における直流電源装置は、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号のパルス幅から求められたゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを記憶する第２の記
憶手段９ｄを備える。

制御手段９は、第２の記憶手段９ｄに記憶されたゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを、補正時間を求めたゼロクロスタイミングの次のゼロクロスタイミングにて、ゼロクロス検出信号の立ち下がりエッジ検出時刻から、真のゼロクロス点からの遅延時間Ｔｄとゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖの合計時間Ｔｄｒ経過後にスイッチング手段を短絡開始する。

ゼロクロス検出信号の開始エッジは、常に真のゼロクロス点よりも手前にあることから、上記のように、ゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを記憶する第２の記憶手段９ｄを設け、第２の記憶手段９ｄに記憶されたゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを用いることによって、ゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号の終了時刻（立ち上がりエッジ検出時刻）よりも早いタイミングでスイッチング手段７をオンさせることができるため、入力電流の導通幅を最大限に広げることができ、フォトカプラ１０によるばらつきを抑制し、かつ、直流電源装置をさらに高力率な状態に維持して運転をすることが可能となる。

（実施の形態４）
図９に、本発明の実施の形態４における直流電源装置の構成を示す。本発明における直流電源の構成は、実施の形態３と同様の構成であるため、説明を省略する。

本実施の形態の直流電源装置は、その負荷に、インバータ２１およびインバータ２１によって駆動される電動機２２を備えており、電動機２２の停止中および電動機２２が一定の速度に達するまでの間は、電動機２２の駆動のために、直流電源装置の出力である直流電圧をさほど上げる必要がないため、交流電源１の電源半周期毎に行うスイッチング素子７の短絡動作を停止する動作モードを有している。

制御手段９は、上記のスイッチング手段７の短絡動作を停止する動作モード時においてのみ、第１の記憶手段９ｃに基いてゼロクロス検出手段８から出力されるゼロクロス検出信号のパルス幅よりゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを求め、そのゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖを第２の記憶手段９ｃに記憶する。

負荷の電動機２２が始動されて、一定の速度に到達すると、本発明の直流電源装置は、交流電源１の電源半周期毎に行うスイッチング手段７の短絡・開放動作を開始する。

スイッチング手段７の短絡・開放動作においては、真のゼロクロス点からパルスを出力したい時間Ｔｄとゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖの合計時間Ｔｄｒだけ、ゼロクロス検出信号の開始エッジを検出するタイミングから経過したタイミングにおいてスイッチング手段７を短絡開始させる。

上記の制御を行うことにより、制御手段９であるマイコンは、ゼロクロス検出手段８のパルス幅測定およびゼロクロス補正時間Ｔｒｅｖの演算を、交流電源１のゼロクロスタイミング毎に行う必要がなくなるため、マイコンに要求される処理能力やタイマの機能を簡略化することができ、したがって、安価な構成において、ゼロクロスタイミングのばらつきを抑えて常に高力率状態において電源を動作させることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、常に力率を高く維持した状態にて運転することができるため、特にコンセント容量の定格電流を最大限に利用する空気調和機を始めとして、ヒートポンプ給湯機や冷蔵庫や洗濯機などの電化製品への用途に適用できる。

本発明の実施の形態１および２における直流電源装置の構成を示す構成図 本発明の実施の形態１におけるゼロクロス検出手段の回路構成を示す回路図 本発明の実施の形態１におけるゼロクロス検出信号とスイッチング手段の駆動信号のタイミングを示すタイミングチャート （ａ） 本発明の実施の形態２におけるパルス幅とゼロクロス補正時間の関係の一例を表す関係図（ｂ） 本発明の実施の形態２におけるパルス幅とゼロクロス補正時間の関係の別の一例を表す関係図 本発明の実施の形態３におけるゼロクロス補正時間を算出する際に用いられるパルス幅と比率αの関係を示す関係図 ＣＴＲが高い場合のゼロクロス検出信号のタイミングを示すタイミングチャート ＣＴＲが低い場合のゼロクロス検出信号のタイミングを示すタイミングチャート 本発明の実施の形態３における直流電源装置の構成を示す構成図 本発明の実施の形態４における直流電源装置の構成を示す構成図 従来の直流電源装置における構成を示す構成図

符号の説明

１ 交流電源
５ 負荷
６ リアクタ
７ スイッチング手段
８ ゼロクロス検出手段
９ 制御手段
９ｃ 第１の記憶手段
９ｄ 第２の記憶手段
１０ フォトカプラ

Claims (4)

1. フォトカプラを用いて、交流電源の半周期毎に、両エッジ間に前記交流電源の真のゼロクロス点を内包するパルス信号を出力するゼロクロス検出手段を備え、前記ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号をトリガとして、前記交流電源を前記交流電源の半周期毎に少なくとも１回、リアクタを介してスイッチング手段によって短絡・開放させる直流電源装置において、前記ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号のパルス幅を検出し、予め、第１の記憶手段に記憶された、前記パルス信号のパルス幅とゼロクロス補正時間の関係を用いてゼロクロス補正時間を得て、前記ゼロクロス補正時間に基いて、前記スイッチング手段を短絡・開放させるタイミングを補正することを特徴とする直流電源装置。
2. ゼロクロス補正時間は、ゼロクロス検出手段からのパルス信号のパルス幅と、前記パルス幅毎に予め定められた比率との積によって算出され、前記パルス信号のパルス幅が広くなるほど、前記比率が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の直流電源装置。
3. ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号のパルス幅より得られたゼロクロス補正時間を記憶する第２の記憶手段を備え、交流電源の半周期毎に、前記第２の記憶手段に記憶されたゼロクロス補正時間によって、スイッチング手段を短絡・開放させるタイミングを補正することを特徴とする請求項１または２に記載の直流電源装置。
4. 直流電圧を供給する負荷の状況に応じて、交流電源の半周期毎に短絡させる動作を停止する動作モードを有し、前記短絡動作を停止する動作モード時において、ゼロクロス検出手段より得られるパルス信号に基いてゼロクロス補正時間を求め、得られたゼロクロス補正時間を第２の記憶手段に記憶することを特徴とする請求項３に記載の直流電源装置。

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