JP2007116832A

JP2007116832A - 突入電流低減回路および電気機器

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Publication number: JP2007116832A
Application number: JP2005306161A
Authority: JP
Inventors: Shin Sugano; 伸菅野; Mitsuo Hattori; 光男服部; Tamotsu Sato; 保佐藤; Kenji Iguchi; 賢司井口
Original assignee: KYOSHIN DENKI SEISAKUSHO KK; NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: KYOSHIN DENKI SEISAKUSHO KK; NTT Advanced Technology Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2025-10-20
Also published as: EP1950875A4; US8120930B2; US20100046256A1; WO2007046471A1; CN101292416B; KR20080066005A; EP1950875A1; CN101292416A; KR100994525B1; JP3990421B2

Abstract

【課題】回路素子数を低減できる突入電流低減回路を提供する。
【解決手段】ダイオードブリッジＤＢ２のプラス側の出力節点は、トランジスタＱ１のドレインに接続され、トランジスタＱ１のソースは、ダイオードブリッジＤＢ２のマイナス側の出力節点に接続されている。抵抗Ｒ１の一端がトランジスタＱ１のドレインに接続され、抵抗Ｒ１の他端がトランジスタＱ１のゲートに接続されている。抵抗Ｒ２の一端がトランジスタＱ１のゲートに接続され、抵抗Ｒ２の他端がトランジスタＱ１のソースに接続されている。コンデンサＣ１が抵抗Ｒ２に並列に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路素子数を低減できる突入電流低減回路および電気機器に関する。

電源使用効率の効率化が図られたインバータ技術の台頭により、一般的電気製品への適用が浸透しつつある。インバータ器具は、スイッチング周波数を高い周波数へ移すことにより、電源トランスを小型軽量化し、効率化を実現しているが、電磁雑音的にはスイッチングに伴う多数の高調波成分が発生するため、他機器への電磁妨害を防止する目的で電源フィルタを装着するのが一般的である。しかし、こういった電源フィルタは、該器具が定常的に使用される条件での特性にのみ着目して設計されている。電源利用の効率化あるいは省エネを考慮して、不要時に電源を切断して動作を停止し、必要なときのみ電源を入れる使用法が定着しており、今まで以上に電源の投入・切断が頻繁に起こることとなってきている。

電源投入により生じる突入電流を低減させるものとして、例えば、特許文献１には、電源ラインにＭＯＳＦＥＴを挿入し、そのゲート電圧を分圧手段によって調整することで、電源ラインに流れる電流（ドレイン電流）を一定にする技術が開示されている。
特開平５−１９８７９号公報

こういった状況においては、電源フィルタ回路を含めた、電源投入切断に伴う過渡妨害波が増加する。機器への電源投入切断では、従来から過渡電流が発生することは知られているが、インバータ機器の突入電流の大きさについての報告は非常に少ない。突入電流は配電系統全体、電源の品質を左右するものであり、突入電流を抑制しないと安定な電力供給を行うことが困難になりうる。

また、交流の突入電流を低減させるため、正方向の突入電流を低減させる回路と、負方向の突入電流を低減させる回路とを備える交流用突入電流低減回路が用いられることがある。

かかる突入電流低減回路は同じ回路が２つ必要なので、回路素子数が多くなる傾向にある。また、各回路には高価なパワーＭＯＳＦＥＴやパワートランジスタが必要なため、突入電流低減回路としても高価になる傾向がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回路素子数を低減できる突入電流低減回路および電気機器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１の本発明は、負荷回路が挿入された交流回路に挿入されたダイオードブリッジと、このダイオードブリッジからの電流が流れる回路に挿入された直流突入電流低減回路とを備えたことを特徴とする突入電流低減回路をもって解決手段とする。

請求項２の本発明は、交流回路に挿入されたダイオードブリッジの後段以降に負荷回路が接続されているときの当該交流回路に挿入されたダイオードブリッジと、このダイオードブリッジからの電流が流れる回路に挿入された直流突入電流低減回路とを備えたことを特徴とする突入電流低減回路をもって解決手段とする。

請求項３の本発明は、前記負荷回路が接続されたダイオードブリッジの後段以降に存在する第１の回路節点から前記直流突入電流低減回路に存在する第２の回路節点に至る制御回路を備えたことを特徴とする請求項２記載の突入電流低減回路をもって解決手段とする。

請求項４の本発明は、前記制御回路は、前記第１の回路節点への逆電流を阻止するダイオードを備えたことを特徴とする請求項３記載の突入電流低減回路をもって解決手段とする。

請求項５の本発明は、請求項１ないし４のいずれかに記載の突入電流低減回路と、前記負荷回路とを備えたことを特徴とする電気機器をもって解決手段とする。

請求項６の本発明は、前記負荷回路であるインバータから電力を供給される駆動部を備えたことを特徴とする請求項５記載の電気機器をもって解決手段とする。

請求項７の本発明は、前記負荷回路であるインバータから電力を供給される光源を備えたことを特徴とする請求項５記載の電気機器をもって解決手段とする。

本発明によれば、ダイオードブリッジからの電流が流れる回路に直流突入電流低減回路を挿入したことで、交流回路に交流突入電流低減回路を挿入する場合に比べて、回路素子点数を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る突入電流低減回路を用いた電気機器の回路図である。

この電気機器は、単相の交流電源１とともに用いられ、この交流電源１に電力を供給される、つまり交流電源１にとっては負荷回路となるインバータ２を備える。また、この電気機器は、例えば、このインバータ２に電力を供給される光源３を更に備える。

交流電源１の一方の極は、両切りスイッチの一方のスイッチＳＷ１ならびにノイズフィルタＮＦを構成する一方のインダクタンスＬを介して、ダイオードブリッジＤＢ１の一方の交流入力節点に接続され、ダイオードブリッジＤＢ１の他方の交流入力節点は、ノイズフィルタＮＦを構成する他方のインダクタンスＬを介して、ダイオードブリッジＤＢ２の一方の交流入力節点に接続されている。ダイオードブリッジＤＢ２の他方の交流入力節点は、両切りスイッチの他方のスイッチＳＷ２を介して、交流電源１の他方の極に接続されている。ノイズフィルタＮＦでは、入力節点間および出力節点間にはコンデンサＣが接続されている。

ダイオードブリッジＤＢ２のプラス側の出力節点（脈流出力節点）は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）であるトランジスタＱ１のドレインに接続され、トランジスタＱ１のソースは、ダイオードブリッジＤＢ２のマイナス側の出力節点に接続されている。抵抗Ｒ１の一端がトランジスタＱ１のドレインに接続され、抵抗Ｒ１の他端がトランジスタＱ１のゲートに接続されている。抵抗Ｒ２の一端がトランジスタＱ１のゲートに接続され、抵抗Ｒ２の他端がトランジスタＱ１のソースに接続されている。コンデンサＣ１が抵抗Ｒ２に並列に接続されている。

これらのトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２およびコンデンサＣ１からなる回路が、本発明の直流突入電流低減回路を構成する。

ダイオードブリッジＤＢ１のプラス側の出力節点は、インバータ２のプラス側の入力節点に接続され、ダイオードブリッジＤＢ１のマイナス側の出力節点は、インバータ２のマイナス側の入力節点に接続されている。

インバータ２では、その入力節点間に、比較的大容量の電解コンデンサ２Ａが接続され、各入力節点が電圧変換回路２Ｂの各入力節点に接続されている。

電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点には、抵抗Ｒ３の一端が接続され、抵抗Ｒ３の他端がトランジスタＱ１のゲートに接続されている。電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点からトランジスタＱ１のゲートに至る回路が、本発明の制御回路を構成する。

電圧変換回路２Ｂのマイナス側の出力節点は、図示していないが、電圧変換回路２Ｂのマイナス側の入力節点に接続され、さらに、このマイナス側の出力節点とプラス側の出力節点との間に光源３が接続されている。

（第１の実施の形態の動作）
さて、交流電源１のスイッチＳＷ１側の極の電圧の方が他方の極の電圧よりも高い場合に両切りスイッチがオフからオンになると、ノイズフィルタＮＦのコンデンサＣへ高周波の突入電流が流れようとし、その後、インバータ２の電解コンデンサ２Ａに低周波の突入電流が流れようとする。このとき、まず、交流電源１からダイオードブリッジＤＢ２および抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１の充電が始まる。

充電開始当初は、コンデンサＣ１の両端の電位差が小さく、トランジスタＱ１のゲート電圧も低いので、トランジスタＱ１はカットオフされている。

そして、充電継続により、トランジスタＱ１のゲート電圧が高くなり、トランジスタＱ１がオンして電流が流れ始める。その時点では、ノイズフィルタＮＦのコンデンサＣならびにインバータ２の電解コンデンサ２Ａに少なからず充電されているので、その後、トランジスタＱ１を介してノイズフィルタＮＦのコンデンサＣへ流れる電流（高周波の突入電流）ならびにインバータ２の電解コンデンサ２Ａへ流れる電流（低周波の突入電流）がそれぞれ最大となったとき値は、トランジスタＱ１を設けない場合の値よりも低いものとなる。つまり、突入電流を低減することができる。

さて、交流電源１のスイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合に両切りスイッチがオンになると、ノイズフィルタＮＦのコンデンサＣへ高周波の突入電流が流れようとし、その後、インバータ２の電解コンデンサ２Ａに低周波の突入電流が流れようとする。このとき、まず、交流電源１からダイオードブリッジＤＢ２および抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１の充電が始まる。

さて、最大値が低いながらもその電流により電解コンデンサ２Ａが充電され、これにより、電圧変換回路２Ｂの入力節点間に電圧が印加されると、電圧変換回路２Ｂはその電圧を昇圧または降圧し、その電圧を印加することで光源３を点灯させる。

なお、交流電源１のスイッチＳＷ１側の極の電圧の方が高い位相の期間、スイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い位相の期間、のいずれにおいても、トランジスタＱ１のドレイン−ソース間電圧を十分小さし、トランジスタＱ１での電力損失を小さくするのが好ましい。

具体的には、ゲート電圧が十分高くなるように抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値を設定し、さらに、コンデンサＣ１が放電しないように該コンデンサＣ１の静電容量と抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の抵抗値とを設定すればよい。

しかしながら、かかる設定だけでは、トランジスタＱ１のドレイン電流が小さい場合、そのドレイン−ソース間電圧ならびにそこでの電力損失が増加することがある。

このときは、コンデンサＣ１の電荷が放電して、トランジスタＱ１のゲート電圧が低くなる。

この電気機器では、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点を抵抗Ｒ３を介してトランジスタＱ１のゲートに接続したことで、コンデンサＣ１の放電を防止し、これにより、トランジスタＱ１のゲート電圧を高く保てるので、ドレイン−ソース間電圧および電力損失の増加を防止することができる。

図２は、交流電源１のスイッチＳＷ１側の極の電圧の方が高い場合の等価回路であり、図３は、交流電源１のスイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合の等価回路である。これらの図では、交流電源１を直流電源の記号で示している。また、両切りスイッチのスイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンしていることとしてこれらを省略している。また、ノイズフィルタＮＦは省略している。また、ダイオードブリッジＤＢ１およびＤＢ２では、導通しているダイオードのみを示している。

図２に示すように、スイッチＳＷ１側の極の電圧の方が高い場合、ダイオードブリッジＤＢ１では、そのプラス側の出力節点と、ダイオードブリッジＤＢ２側の交流入力節点と、の間に接続されたダイオードＤ１１が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ２では、そのマイナス側の出力節点と、他方の交流入力節点と、の間に接続されたダイオードＤ１２が導通する。

また、ダイオードブリッジＤＢ２では、そのプラス側の出力節点と、ダイオードブリッジＤＢ２側の交流入力節点との間に接続されたダイオードＤ２１が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ２では、そのマイナス側の出力節点と、他方の交流入力節点と、の間に接続されたダイオードＤ２２が導通する。

これにより、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差の大小によらず、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の電位は、トランジスタＱ１のゲートの電位よりも高くなる。よって、コンデンサＣ１の電荷が電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の方へ放電されることがない。

一方、図３に示すように、スイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合、ダイオードブリッジＤＢ１では、そのプラス側の出力節点と、ダイオードブリッジＤＢ２側の交流入力節点との間に接続されたダイオードＤ１３が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ１では、そのマイナス側の出力節点と、他方の交流入力節点との間に接続されたダイオードＤ１４が導通する。

また、ダイオードブリッジＤＢ２では、そのプラス側の出力節点と、ダイオードブリッジＤＢ１側の交流入力節点と、の間に接続されたダイオードＤ２３が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ２では、そのマイナス側の出力節点と、他方の交流入力節点との間に接続されたダイオードＤ２４が導通する。

これにより、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が小さい場合には、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の電位が、トランジスタＱ１のゲートの電位よりも低くなることがある。例えば、光源３がＬＥＤ（発光ダイオード）のような、低電圧で発光する素子を含む場合は、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が小さいので、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の電位が、トランジスタＱ１のゲートの電位よりも低くなることがある。

これにより、コンデンサＣ１の電荷が電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の方へ放電されるので、この電気機器は、かかる放電がない場合に限って使用することができる。例えば、光源３が、蛍光管のような、高電圧で発光する素子を含み、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が大きい場合に使用することができる。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、ダイオードブリッジＤＢ２からの電流が流れる回路に直流突入電流低減回路を挿入したことで、当該直流突入電流低減回路を逆接続して構成される交流突入電流低減回路を交流回路つまり交流電源１の一方の極から他方の極へ至る回路に挿入する場合に比べて、回路素子点数を低減（ほぼ半減）することができる。特に、高価であるトランジスタの数を半減できる。よって、突入電流低減回路や電気機器の小型化が可能となり、これらを小さな筐体などへ組み込むことも可能となる。

なお、第１の実施の形態では、交流回路に挿入されたダイオードブリッジＤＢ１の後段以降にインバータ２（負荷回路）が接続されているときの当該交流回路にダイオードブリッジＤＢ２を挿入し、このダイオードブリッジＤＢ２からの電流が流れる回路に直流突入電流低減回路を挿入したが、例えば、交流モータなどの負荷回路が挿入された交流回路にダイオードブリッジＤＢ２を挿入し、このダイオードブリッジＤＢ２からの電流が流れる回路に直流突入電流低減回路を挿入してもよい。

また、第１の実施の形態によれば、ダイオードブリッジＤＢ１の後段以降に存在する第１の回路節点から直流突入電流低減回路に存在する第２の回路節点に至る制御回路（電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点からトランジスタＱ１のゲートに至る回路）を備えたことで、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が大きい場合などに好適である。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係る突入電流低減回路を用いた電気機器の回路図である。

図４に示すように、この電気機器は、そのほとんどが図１に示す電気機器と同じである。違うのは、抵抗Ｒ３の、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点に接続されていない方の一端が、ダイオードＤ１のアノードに接続され、ダイオードＤ１のカソードがトランジスタＱ１のゲートに接続されていることだけである。

この電気機器でも、図２に示したように、スイッチＳＷ１側の極の電圧の方が高い場合、ダイオードブリッジＤＢ１では、ダイオードＤ１１およびＤ１２が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ２では、ダイオードＤ２１およびＤ２２が導通する。

図５は、交流電源１のスイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合の等価回路である。この図では、交流電源１を直流電源の記号で示している。また、両切りスイッチのスイッチＳＷ１およびＳＷ２がオンしていることとしてこれらを省略している。また、ノイズフィルタＮＦは省略している。また、ダイオードブリッジＤＢ１およびＤＢ２では、導通しているダイオードのみを示している。

図５に示すように、スイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合、ダイオードブリッジＤＢ１では、ダイオードＤ１３およびＤ１４が導通する。また、ダイオードブリッジＤＢ２では、ダイオードＤ２３およびＤ２４が導通する。

これにより、電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の電位が、トランジスタＱ１のゲートの電位よりも低くなることがある。

しかしながら、ダイオードＤ１により、コンデンサＣ１の電荷が電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点の方へ放電されることがない。よって、第３の実施の形態に係る電気機器は、光源３が、蛍光管のような、高電圧で発光する素子を含み、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が大きい場合に使用できることは勿論であるが、さらに、光源３が、ＬＥＤのような、低電圧で発光する素子を含み、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が小さい場合にも使用することができる。

以上説明したように、第２の実施の形態によれば、制御回路（電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点からトランジスタＱ１のゲートに至る回路）は、第１の回路節点（電圧変換回路２Ｂのプラス側の出力節点）への逆電流を阻止するダイオードＤ１を備えたことで、電圧変換回路２Ｂの出力節点間の電位差が小さい場合にも好適である。

なお、これらの実施の形態では、トランジスタＱ１やＱ２などでの電力損失が許容できれば、制御回路を設けなくてもよい。

また、複数台の電気機器を同じスイッチで交流電源に接続する場合には、極めて大きな突入電流が発生していたが、それぞれの電気機器に本発明を適用することで、この突入電流を極めて低くすることができる。

また、これらの実施の形態の電気機器は、光源３に代わる駆動部を備えてなるものであってもよい。この電気機器では、電圧変換回路２Ｂの入力節点間に電圧が印加されると、電圧変換回路２Ｂはその電圧を昇圧または降圧し、その電圧を駆動部に印加することで、駆動部を駆動する。これ以外の動作は同様である。よって、駆動部を備えた電気機器の回路素子点数を低減することができる。

また、ノイズフィルタＮＦを備えることで、動作中の電磁妨害を防ぐことができるので、電源投入時と動作中の両方において電磁妨害の少ない状態を維持することができる。

また、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＮＰＮバイポーラトランジスタを用いてもよい。また、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴやＰＮＰバイポーラトランジスタを用いてもよい。また、これらの実施の形態では、両切りスイッチを用いたが、片切りスイッチを用いてもよい。

第１の実施の形態に係る突入電流低減回路を用いた電気機器の回路図である。第１の実施の形態で、交流電源１のスイッチＳＷ１側の極の電圧の方が高い場合の等価回路である。第１の実施の形態で、交流電源１のスイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合の等価回路である。第２の実施の形態に係る突入電流低減回路を用いた電気機器の回路図である。第２の実施の形態で、交流電源１のスイッチＳＷ２側の極の電圧の方が高い場合の等価回路である。

符号の説明

１…交流電源
２…インバータ
２Ａ…電解コンデンサ
２Ｂ…電圧変換回路
３…光源
Ｃ、Ｃ１…コンデンサ
ＤＢ１、ＤＢ２…ダイオードブリッジ
Ｌ…インダクタンス
ＮＦ…ノイズフィルタ
Ｑ１…トランジスタ（ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３…抵抗

Claims

負荷回路が挿入された交流回路に挿入されたダイオードブリッジと、
このダイオードブリッジからの電流が流れる回路に挿入された直流突入電流低減回路とを備えたことを特徴とする突入電流低減回路。
交流回路に挿入されたダイオードブリッジの後段以降に負荷回路が接続されているときの当該交流回路に挿入されたダイオードブリッジと、
このダイオードブリッジからの電流が流れる回路に挿入された直流突入電流低減回路とを備えたことを特徴とする突入電流低減回路。
前記負荷回路が接続されたダイオードブリッジの後段以降に存在する第１の回路節点から前記直流突入電流低減回路に存在する第２の回路節点に至る制御回路
を備えたことを特徴とする請求項２記載の突入電流低減回路。
前記制御回路は、前記第１の回路節点への逆電流を阻止するダイオードを備えたことを特徴とする請求項３記載の突入電流低減回路。
請求項１ないし４のいずれかに記載の突入電流低減回路と、
前記負荷回路と
を備えたことを特徴とする電気機器。
前記負荷回路であるインバータから電力を供給される駆動部を備えたことを特徴とする請求項５記載の電気機器。
前記負荷回路であるインバータから電力を供給される光源を備えたことを特徴とする請求項５記載の電気機器。