JP2008295216A - アクティブフィルタを備える電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】アクティブフィルタにより高調波成分を補正する電源装置において、高調波成分を所定の範囲内としアクティブフィルタの変換効率を良くする。
【解決手段】AC入力を複数のDC−DCコンバータにより複数のDC電源を生成しアクティブフィルタにより高調波電流を抑制する電源装置において、アクティブフィルタ強制停止制御部7を設け、軽負荷のときはAC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタのスイッチングを停止させるようにした。或いは、軽負荷のときは、複数のアクティブフィルタうち1つのスイッチング動作を停止するようにした。
【選択図】図1
【解決手段】AC入力を複数のDC−DCコンバータにより複数のDC電源を生成しアクティブフィルタにより高調波電流を抑制する電源装置において、アクティブフィルタ強制停止制御部7を設け、軽負荷のときはAC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタのスイッチングを停止させるようにした。或いは、軽負荷のときは、複数のアクティブフィルタうち1つのスイッチング動作を停止するようにした。
【選択図】図1
Description
本発明は、高調波電流規制の対象となる装置またはシステムに使用される、アクティブフィルタを備える電源装置に関する。
近年、装置またはシステムに使用されるスイッチング電源装置から発生する高調波電流による電力利用環境の悪化をくい止めるため、高調波電流を抑制することが日本国内はもとより国際的に急務であるとされている。国際的にはIECでこの規格が制定され、国内はIEC規格をもとに「JIS C 61000−3−2」が制定され、各工業会にて運用している。一方、地球温暖化問題に対する取り組みとして、アメリカの環境保護庁や日本の経済産業省が推進するエナジースター等、電子機器の省電力化技術の必要性が高まってきている。
図10は、上記の高調波電流対策のためのアクティブフィルタを備える電源装置の一般な回路の例を示したものである。なお、本例は、入力電圧VinとしてAC100Vを入力し、DC5VとDC12Vを出力する電源装置の例を示している。
同図に示したように、この電源装置は、AC100VをダイオードD1にて全波整流して入力とし、アクティブフィルタ1(1)を経由しDC5VとDC12VのDC−DCコンバータ1(5)およびDC−DCコンバータ2(6)が接続された構成となっている。
そして、アクティブフィルタ1(1)は、電流制御用のコイルL1、スイッチングのためのFETトランジスタTR1、整流用のダイオードD2、平滑化のためのコンデンサC1、電流検出用の抵抗R1、後述のアクティブフィルタ制御部3とから構成される。
DC−DCコンバータ1(5)およびDC−DCコンバータ2(6)は、スイッチングを行うFETトランジスタTR2およびTR3、トランスT1、T2、整流用のダイオードD3〜D6、電流制限用のコイルL2、L3、平滑化のためのコンデンサC2、C3とから構成される。
前記アクティブフィルタ制御部3のISENSE端子はアクティブフィルタ入力電流I1のフィードバック入力端子であり、DRIVE端子はFETトランジスタTR1のドライブ出力の端子であり、VSENSE端子はアクティブフィルタ出力電圧のフィードバック入力の端子であり、GND端子はグランド端子である。アクティブフィルタ制御部3は、前記ISENSE端子とVSENSE端子の入力を受けて、DRIVE端子のオンオフをコントロールするフィードバック回路を備える。
以上のようなアクティブフィルタを備え、高調波補償対象となる負荷装置やシステムが電源装置に接続されたときの高調波電流レベルを測定し、当該高調波電流レベルが許容値以上の場合、アクティブフィルタを動作させて高調波電流レベルを下げ、当該高調波電流レベルが許容値より小さい場合はアクティブフィルタを非動作とさせる技術はあった(例えば、特許文献1参照)。
特開平7−123592号公報
しかしながら、従来のアクティブフィルタを備える電源装置では、高調波電流レベルが許容値以上となる場合では、電源装置の負荷にかかわらず、アクティブフィルタを常に動作させており、このときの電源装置の変換効率は、アクティブフィルタ1(1)の変換効率を90%、DC−DCコンバータ1とDC−DCコンバータ2の変換効率を80%とすると、0.9×0.8×100%=72%となり、変換効率が悪いという問題があった。
本発明は、前述の課題を解決するために次の手段を採用する。すなわち、AC電源からDC電源を生成しアクティブフィルタにより当該AC電源の高調波成分を抑制する電源装置において、電源装置の負荷が所定の負荷より少ないときは、所定の間隔で所定の期間、前記アクティブフィルタのスイッチングを強制的に停止させるようにした。
本発明のアクティブフィルタを備える電源装置によれば、電源装置の負荷が所定の負荷より少ないときは、所定の間隔で所定の期間、前記アクティブフィルタのスイッチングを強制的に停止させるようにしたので、高調波成分を規制の範囲内としつつアクティブフィルタの効率を改善することができる。
以下、本発明に係る実施の形態例を、図面を用いて説明する。なお、図面に共通する要素には同一の符号を付す。
(構成)
まず、実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置の構成を、図1を用いて説明する。本例では、AC100VをダイオードD1にて全波整流して入力とし、DC12VとDC5Vを出力する電源装置の例を示している。なお、アクティブフィルタ1(1)の動作時の変換効率は90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率は80%として以下説明する。
まず、実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置の構成を、図1を用いて説明する。本例では、AC100VをダイオードD1にて全波整流して入力とし、DC12VとDC5Vを出力する電源装置の例を示している。なお、アクティブフィルタ1(1)の動作時の変換効率は90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率は80%として以下説明する。
同図に示したように、実施例1の電源装置は、アクティブフィルタ1(1)を経由しDC12V用DC−DCコンバータ1(5)およびとDC5V用DC−DCコンバータ2(6)が接続された構成となっている。
そして、アクティブフィルタ1(1)は、電流制御用のコイルL1、スイッチングのためのFETトランジスタTR1、整流用のダイオードD2、平滑化のためのコンデンサC1、電流検出用の抵抗R1、後述のアクティブフィルタ制御部3、アクティブフィルタ強制停止制御部7から構成される。
DC12V用DC−DCコンバータ1(5)およびDC5V用DC−DCコンバータ2(6)は、スイッチングを行うFETトランジスタTR2およびTR3、トランスT1、T2、整流用のダイオードD3〜D6、電流制限用のコイルL2、L3、平滑化のためのコンデンサC2、C3とから構成される。
前記アクティブフィルタ制御部3のISENSE端子はアクティブフィルタ入力電流のフィードバック入力端子であり、DRIVE端子はFETトランジスタTR1のドライブ出力の端子であり、VSENSE端子はアクティブフィルタ出力電圧のフィードバック入力の端子であり、GND端子はグランド端子である。アクティブフィルタ制御部3は、前記ISENSE端子とVSENSE端子の入力を受けて、DRIVE端子のオンオフをコントロールするフィードバック回路を備える。
アクティブフィルタ強制停止制御部7のACPHASE端子はAC電源の位相を検出するためのAC100Vの入力端子であり、DRIVEOFF端子はアクティブフィルタ1(1)のDRIVE端子を強制オフする出力端子であり、GND端子はグランド端子であり、OFF端子は負荷装置またはシステムからの軽負荷信号を受け付ける入力端子である。
(動作)
以上の構成により実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置は、以下のように動作する。この動作を図2および図3の動作説明図である入力電圧と電流波形を用いて以下詳細に説明する。
以上の構成により実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置は、以下のように動作する。この動作を図2および図3の動作説明図である入力電圧と電流波形を用いて以下詳細に説明する。
本実施例の電源装置はAC100Vを入力としてDC5VとDC12Vを出力する。まず、電源装置を起動すると、電源装置に接続された装置またはシステムの負荷が大きく入力電力が大きい場合では、アクティブフィルタ1(1)はその動作を停止することなく、図2に示したような入力電流となるように制御しながら動作している。
ところで、皮相電力に対する有効電力の割合である力率を1に近づければ高調波電流は0に抑制されるが、約0.75以上の力率であれば「JIS C 61000−3−2」の規制値をクリアすることができる。一般に、アクティブフィルタにより力率をほぼ1とする技術は確立されており、このときの電源装置の変換効率は、アクティブフィルタ1(1)の変換効率を90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率を80%とすると、0.9×0.8×100%=72%となる。
軽負荷信号は、この電源装置が接続される装置やシステムからその動作状態を通知する信号であり、負荷が小さく消費電力が小さいときは、アクティブフィルタ強制停止制御部7に軽負荷である旨の信号が入力される。アクティブフィルタ強制停止制御部7は、軽負荷信号がオンの場合、入力されるAC電源の半周期毎例えば、図3のタイミングT2、T4にDRIVEOFFを出力する。タイミングT1、T3にDRIVEOFFを出力するようにしても勿論よい。
その結果、アクティブフィルタ1(1)はAC電源の一周期毎に半周期分、スイッチングを停止するので、入力電流I1は図3のような波形となる。
図4は、以上の動作をグラフ化した図であり、縦軸が高調波電流レベルであり、横軸が入力電力を示しており、グラフが水平方向となるほど力率が1に近づき、垂直方向になるほど、力率が0となることを示している。
図中、アクティブフィルタ1(1)の停止時のグラフはアクティブフィルタ1(1)を完全に停止した場合の入力電力に対する高調波電流、すなわち力率を示すもので、この場合の力率は、一般的な値として0.6程度となる。図中、アクティブフィルタ1(1)の動作時のグラフはアクティブフィルタ1(1)を動作させ力率を改善したときのグラフを示し、この場合の力率は、一般的な値として0.98程度となる。
そして、AC正弦波の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタ1(1)を停止した場合は、上記を平均した値である(0.6+0.98)/2=0.79程度となる。
そして、同図に示したように、負荷装置の消費電力が少ない場合、すなわち負荷装置の消費電力が0からPaまでは、負荷装置から軽負荷信号オンが出力されるので、AC正弦波の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタ1(1)が停止される。
その結果、図4の実線のように、消費電力の増加につれ高調波電流レベルが増加するようになり、消費電力がPaとなったとき(図4のa点)に、負荷装置からの軽負荷信号がオフとなるので、アクティブフィルタ1(1)をすべてのタイミングで動作させ、図2の状態、すなわち力率約0.98の状態(図4のb点)に推移し、さらに消費電力が増加するに従い高調波電流レベルが増加する。
以上のように、負荷が一定以下のときは、AC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタ1(1)のスイッチングを停止するので、主としてFETトランジスタTR1、ダイオードD2におけるスイッチングロスが低下し、アクティブフィルタ1(1)の効率が94%程度に向上する。その結果、一周期毎に半周期分、アクティブフィルタ1(1)をオフする電源装置の変換効率は、オフしないときの約72%から0.94×0.8×100%=75.2%に向上する。
なお、以上の説明では、負荷が一定以下のときは、AC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタ1(1)のスイッチングを停止するように説明したが、高調波電流規制の範囲内にて、負荷が少なくなるに従いアクティブフィルタ1(1)のスイッチングを停止する期間を長くするようにしてもよい。
(実施例1の効果)
以上のように、実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置によれば、アクティブフィルタ強制停止制御部を設け、軽負荷のときはAC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタのスイッチングを停止させるようにしたので、高調波電流規制を遵守しつつアクティブフィルタの変換効率を向上させることができる。
以上のように、実施例1のアクティブフィルタを備える電源装置によれば、アクティブフィルタ強制停止制御部を設け、軽負荷のときはAC電源の一周期毎に半周期分、アクティブフィルタのスイッチングを停止させるようにしたので、高調波電流規制を遵守しつつアクティブフィルタの変換効率を向上させることができる。
(構成)
実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置は、図5に示した回路構成となっている。本例でも、実施例1と同様、入力電圧VinとしてAC100Vを入力し、DC12VとDC5Vを出力する電源装置を例とし、アクティブフィルタ1(1)とアクティブフィルタ2(2)の動作時の変換効率を90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率を80%として以下説明する。
実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置は、図5に示した回路構成となっている。本例でも、実施例1と同様、入力電圧VinとしてAC100Vを入力し、DC12VとDC5Vを出力する電源装置を例とし、アクティブフィルタ1(1)とアクティブフィルタ2(2)の動作時の変換効率を90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率を80%として以下説明する。
実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置は、アクティブフィルタ1(1)を経由しDC12V用DC−DCコンバータ1(5)が接続され、アクティブフィルタ2(2)を経由しDC5V用DC−DCコンバータ2(6)が接続された構成となっている。
そして、アクティブフィルタ1(1)は、実施例1と同様、電流制御用のコイルL1、スイッチングのためのFETトランジスタTR1、整流用のダイオードD2、平滑化のためのコンデンサC1、電流検出用の抵抗R1、アクティブフィルタ制御部3から構成される。
アクティブフィルタ1(1)に接続されるDC12V用DC−DCコンバータ1(5)は、スイッチングを行うFETトランジスタTR2、トランスT1、整流用のダイオードD3、D4、電流制御用のコイルL2、平滑化のためのコンデンサC2とから構成される。
そして、アクティブフィルタ2(2)は、アクティブフィルタ1(1)と同様、電流制御用のコイルL3、スイッチングのためのFETトランジスタTR3、整流用のダイオードD5、平滑化のためのコンデンサC3、電流検出用の抵抗R2、アクティブフィルタ制御部4から構成される。
そして、アクティブフィルタ2(2)に接続されるDC5V用DC−DCコンバータ2(6)は、DC12V用DC−DCコンバータ1(5)と同様、スイッチングを行うFETトランジスタTR4、トランスT2、整流用のダイオードD6、D7、電流制御用のコイルL4、平滑化のためのコンデンサC4とから構成される。
前記アクティブフィルタ制御部3およびアクティブフィルタ制御部4のISENSE端子はそれぞれのアクティブフィルタ入力電流のフィードバック入力端子であり、DRIVE端子はFETトランジスタTR1またはTR3のドライブ出力の端子であり、VSENSE端子はそれぞれのアクティブフィルタ出力電圧のフィードバック入力の端子であり、GND端子はグランド端子であり、OFF端子は負荷装置またはシステムからの軽負荷信号を受け付ける入力端子である。
なお、実施例2の電源装置では、アクティブフィルタ1(1)のアクティブフィルタ制御部3のOFF端子には、軽負荷信号を接続せず、アクティブフィルタ2(2)のアクティブフィルタ制御部3のOFF端子にのみ軽負荷信号を接続するようになっている。
アクティブフィルタ制御部3およびアクティブフィルタ制御部4は、前記ISENSE端子とVSENSE端子の入力を受けて、それぞれDRIVE端子のオンオフをコントロールするフィードバック回路を備える。
(動作)
以上の構成により実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置は、以下のように動作する。この動作を実施例1と同様、図6および図7の入力電圧および電流波形、図8の各アクティブフィルタの電流波形を用いて以下説明する。
以上の構成により実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置は、以下のように動作する。この動作を実施例1と同様、図6および図7の入力電圧および電流波形、図8の各アクティブフィルタの電流波形を用いて以下説明する。
本実施例の電源装置は、実施例1と同様に、AC100Vを入力としてDC5VとDC12Vを出力する。まず、電源装置を起動すると、電源装置に接続される装置またはシステムの負荷が大きく消費電力が大きい場合では、アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)は、その動作を停止することなく、図2に示したような入力電流となるように制御される。
ところで、皮相電力に対する有効電力の割合である力率を1に近づければ高調波電流は0に抑制されるが、約0.75以上の力率であれば「JIS C 61000−3−2」の規制値をクリアすることができる。一般に、アクティブフィルタにより力率をほぼ1とする技術は確立されており、このときの電源装置の変換効率は、アクティブフィルタ1(1)の変換効率を90%、DC−DCコンバータ1(5)とDC−DCコンバータ2(6)の変換効率を80%とすると、0.9×0.8×100%=72%となる。
軽負荷信号は、この電源装置が接続される装置やシステムからその動作状態を通知する信号であり、負荷が小さく消費電力が小さいときは、アクティブフィルタ制御部4のOFF端子に接続された軽負荷信号がオンとなり、アクティブフィルタ2(2)のスイッチングを停止する。
このとき、アクティブフィルタ制御部3のOFF端子には軽負荷信号が接続されていないので、アクティブフィルタ1(1)は動作を継続しており、図8示したようなアクティブフィルタ1(1)とアクティブフィルタ2(2)の入力電流が流れる。すなわち、アクティブフィルタ1(1)の入力電流I1はアクティブフィルタの動作が行われているので正弦波となり、アクティブフィルタ2(2)の入力電流I2は、アクティブフィルタの動作が停止しているので波形が歪み、高調波電流が流れる。
従って、両アクティブフィルタ1(1)とアクティブフィルタ2(2)の合成電流I1+I2は、図7に示したような電流となり、これが入力電流として流れることになる。
図9は、以上の動作をグラフ化した図であり、縦軸が高調波電流のレベルであり、横軸が入力電力を示しており、グラフが水平方向となるほど力率が1に近づき、垂直方向になるほど、力率が0となることを示している。
図中、アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)の停止時のグラフはアクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)を完全に停止した場合の入力電力に対する高調波電流、すなわち力率を示すもので、この場合の力率は、一般的な値として0.6程度となる。図中、アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)の動作時のグラフは、アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)を動作させ力率を改善したときのグラフを示し、この場合の力率は、一般的な値として0.98程度となる。
そして、アクティブフィルタ2(2)のみ停止時のグラフは、アクティブフィルタ2(2)を停止し、アクティブフィルタ1(1)のみ動作させた場合のグラフであり、DC12V用DC−DCコンバータ1(5)とDC5V用DC−DCコンバータ2(6)の出力電力がほぼ同じ場合では、上記の平均した値程度となり、力率は、(0.6+0.98)/2=0.79程度となる。
そして、同図に示したように、負荷装置の消費電力が少ない場合、すなわち負荷装置の消費電力が0からPaまでは、負荷装置から軽負荷信号オンが出力されるので、アクティブフィルタ2(2)が停止される。
その結果、図9の実線のように、消費電力の増加につれ高調波電流レベルが増加するようになり、消費電力がPaとなったとき(図9のa点)に、負荷装置からの軽負荷信号がオフとなるので、アクティブフィルタ2(2)を動作させる。アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)が動作状態となると、図6の状態、すなわち力率約0.98の状態(図9のb点)に推移し、さらに消費電力が増加するに従い高調波電流レベルが増加する。
以上のように、負荷の大小によって変化する入力電力が一定以下のときは、アクティブフィルタ2(2)のスイッチングを停止するので、主としてFETトランジスタTR3、ダイオードD5におけるスイッチングロスが低下し、アクティブフィルタ2(2)の効率が98%程度に向上する。
その結果、アクティブフィルタ2(2)をオフしないときは、アクティブフィルタ1(1)およびアクティブフィルタ2(2)の変換効率が90%、12V用DC−DCコンバータ1(5)および5V用DC−DCコンバータ2(6)の変換効率が80%であるので、0.9×0.8×100%=約72%であったが、アクティブフィルタ2(2)をオフすることによって、アクティブフィルタ2(2)の方が0.98×0.8×100%となるので、これを平均化して加算すると、(0.98×0.8)/2+(0.9×0.8)/2)×100%=75.2%となり、3.2%変換効率が向上する。
以上の説明では、軽負荷の場合、アクティブフィルタ2(2)の方を停止するように説明したが、アクティブフィルタ1(1)の方を停止するようにしても勿論よい。また、以上の説明では、アクティブフィルタが2個でDC−DCコンバータが2個の場合について説明したが、3個以上の電源装置の場合にも同様に本発明を適用できる。この場合、負荷の大きさ、すなわち負荷装置等の消費電力の大きさに応じて、停止するアクティブフィルタの数を多くするようにしてもよい。
また、以上の説明では、軽負荷の場合、2個のアクティブフィルタのうち一方を停止するように説明したが、さらに軽負荷のときは、2個のアクティブフィルタのうち一方を停止するとともに、いずれかのアクティブフィルタを所定のデューティで停止するようにしてもよい。
(実施例2の効果)
以上のように、実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置によれば、軽負荷のときは、複数のアクティブフィルタうち1つのスイッチングを停止するようにしたので、実施例1と同様、高調波電流規制を遵守しつつアクティブフィルタの変換効率を向上することができる。
以上のように、実施例2のアクティブフィルタを備える電源装置によれば、軽負荷のときは、複数のアクティブフィルタうち1つのスイッチングを停止するようにしたので、実施例1と同様、高調波電流規制を遵守しつつアクティブフィルタの変換効率を向上することができる。
《その他の変形例》
以上の実施例の説明では、アクティブフィルタ強制停止制御部7およびアクティブフィルタ制御部4等に接続される軽負荷信号を、電源装置の負荷となる装置やシステムからの信号として説明したが、電源装置の入力側や各DC−DCコンバータの出力側などに電流検出手段を設け、当該電流検出手段により所定の電流値以下のときに軽負荷信号を自ら発生させるようにしてもよい。
以上の実施例の説明では、アクティブフィルタ強制停止制御部7およびアクティブフィルタ制御部4等に接続される軽負荷信号を、電源装置の負荷となる装置やシステムからの信号として説明したが、電源装置の入力側や各DC−DCコンバータの出力側などに電流検出手段を設け、当該電流検出手段により所定の電流値以下のときに軽負荷信号を自ら発生させるようにしてもよい。
本発明は、高調波電流規制の対象となる装置またはシステムに使用される、アクティブフィルタを備える電源装置に広く用いることができる。
1、2 アクティブフィルタ
3、4 アクティブフィルタ制御部
7 アクティブフィルタ強制停止制御部
5、6 DC/DCコンバータ
Iin 入力電流
I1、I2 アクティブフィルタ入力電流
Vin AC100V
3、4 アクティブフィルタ制御部
7 アクティブフィルタ強制停止制御部
5、6 DC/DCコンバータ
Iin 入力電流
I1、I2 アクティブフィルタ入力電流
Vin AC100V
Claims (4)
- AC電源からDC電源を生成しアクティブフィルタにより当該AC電源の高調波成分を抑制する電源装置において、
電源装置の負荷が所定の負荷より少ないときは、所定の間隔で所定の期間、前記アクティブフィルタのスイッチングを強制的に停止させる制御手段を設けたことを特徴とするアクティブフィルタを備えた電源装置。 - 前記所定の間隔は、AC電源の一周期毎であって、前記所定の期間は、半周期分としたことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
- AC電源から複数のDC電源を生成する複数のコンバータと、当該複数のコンバータにそれぞれ接続されたアクティブフィルタにより当該AC電源の高調波成分を抑制する電源装置において、
電源装置の負荷が所定の負荷より少ないときは、いずれかのアクティブフィルタのスイッチングを強制的に停止させる制御手段を設けたことを特徴とするアクティブフィルタを備えた電源装置。 - 前記電源装置の負荷の判定は、電源装置の電流に基づいて判定するようにしたことを特徴とする請求項1ないし請求項3いずれか記載のアクティブフィルタを備えた電源装置。
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