JP2008295248A - 力率改善コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】電源の力率改善を行う力率改善コンバータにおいて、交流電源電圧より低い直流電圧から、交流電源電圧より高い直流電圧まで広範囲の所望の直流電圧を制御可能とする。
【解決手段】交流電源１は逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３と整流ダイオード４，５よりなるブリッジ接続で構成した整流降圧チョッパ回路２１に接続され、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３が共に通電状態にあるときには電源電圧の全波整流波形、チョッパ動作を行うときにはリアクトル７、フライホイールダイオード６、スイッチング素子８によって降圧チョッパ波形を出力する。リアクトル７、ダイオード９より構成された昇圧チョッパ回路は、整流降圧チョッパ回路２１の逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３が共に通電状態のきにスイッチング素子８のスイッチング動作を行いリアクトル７により昇圧する。
【選択図】図１

Description

本発明は交流電源を整流し、所望の直流電圧を出力する電源装置、交流電源の力率を改善する電源装置、及び前記電源装置を用い電動機を制御する電動機制御装置に関する。

従来、交流電源を整流して直流電源に変換する交流−直流変換回路で、入力電流を正弦波に制御する力率改善コンバータの出力電圧を広範囲に制御する回路の例として公開特許公報２００１−１０３７８５号に記載のように、整流回路構成を全波整流と倍電圧整流のどちらかに切り替える切替スイッチにより、全波整流回路／倍電圧整流回路を切替えて、昇圧チョッパ回路を形成し力率改善を行う方法が提案されていた。

また、昇降圧チョッパ回路あるいは降圧チョッパ回路を用いて電源の力率改善を行う力率改善コンバータによる出力電圧を広範囲に制御する回路としては、公開特許公報特開平９−９６７０号に記載のように、電源を全波整流回路と昇降圧チョッパ回路の間にリアクトルを直列に、コンデンサを並列に挿入して力率改善及び直流電圧の制御を行っていた。

特開２００１−１４５３６０号公報 特開平９−９６７０号公報

上記従来方式は、電源を昇圧チョッパ回路により直流電圧を得ており、切替えスイッチにより全波整流回路で直流電圧を低く設定したり、倍電圧整流回路により直流電圧を高く設定することができるが、入力である電源電圧より、低い直流電圧を得ることができない点については、考慮されていなかった。

また、電源を全波整流回路と昇降圧チョッパ回路の間にリアクトルを直列に、コンデンサを並列に挿入して力率改善及び直流電圧の制御では、全波整流回路と降圧チョッパ回路が別々に設けており、回路効率が悪い問題があった。

本発明の目的は、入力の電源電圧より、低い直流電圧から高い直流電圧まで、広範囲の直流電圧を得ることが可能で回路効率の良い力率改善コンバータを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明は交流電源を逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードよりなるブリッジ接続によって構成される整流降圧チョッパ回路と、整流降圧チョッパ回路の出力に接続されるインダクタンスによるエネルギ蓄積効果を利用して所望の大きさの直流電圧に変換する昇圧チョッパ回路と、直流電圧を平滑する平滑回路から成る交流−直流変換回路を構成し、前記整流降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路のスイッチング素子の動作を制御して力率改善及び直流電圧の制御を行う力率改善手段を設け、前記力率改善手段として直流電圧検出回路と、電源電圧波形検出回路と、前記直流電圧検出回路の出力が直流電圧指令と一致するように入力電流の大きさの値を算出する直流電圧制御回路と、前記電源電圧波形検出回路の出力と前記直流電圧制御回路出力を乗算し入力電流の指令値を作成する乗算器と、入力電流検出回路と、前記電流指令値に前記入力電流検出値が一致するように前記スイッチング素子のオン時間の比率であるデューティ信号を算出する電流制御回路と、前記デューティ信号から前記スイッチング素子に与えるＰＷＭパルス信号を作成する昇降圧ＰＷＭ信号発生回路と、前記ＰＷＭ信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動するドライバを備える。

逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードによって整流降圧チョッパ回路を構成したので、従来の力率改善コンバータに比べて、回路効率がよく、電源電圧に比べて低い直流電圧から高い直流電圧まで、広範囲の直流電圧を得ることができる効果がある。

また、整流降圧チョッパ回路を使用した力率改善コンバータの負荷にブラシレス直流モータ駆動装置を接続することにより、高効率で高力率なブラシレス直流モータ制御装置を実現できる。

以下、本発明を、図面に基づいて説明する。

図１は本発明による実施例の力率改善コンバータの構成図である。

交流電源１はリアクトル２２とコンデンサ２３よりなる低周波フィルタ回路を通して、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３と整流ダイオード４，５よりなる整流降圧チョッパ回路２１に接続され、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３が共に通電状態にあるときには電源電圧の全波整流波形、チョッパ動作を行うときにはリアクトル７、フライホイールダイオード６、平滑コンデンサ１０によって降圧チョッパ波形を出力する。リアクトル７、スイッチング素子８、ダイオード９、平滑コンデンサ１０より構成された昇圧チョッパ回路は、整流降圧チョッパ回路２１の逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３が共に通電状態のきにスイッチング素子８のスイッチング動作を行いリアクトル７のエネルギ蓄積効果により昇圧する。上記のように昇降圧された直流電圧は平滑用コンデンサ１０に供給され安定化し、負荷１１に供給される。

入力電流検出回路１２はコンデンサ１０より入力側に接続され入力電流値を検出し電流制御回路１５に入力電流値を与える。

直流電圧検出回路１７は平滑コンデンサ１０の両端に接続され平滑された直流電圧値を直流電圧検出回路１７で検出し、直流電圧制御回路１８に直流電圧値を与える。直流電圧制御回路１８は直流電圧検出回路１７の検出値が直流電圧指令値に一致するように入力電流の大きさを示す信号を乗算器１４に出力する。

乗算器１４は整流降圧チョッパ回路２１の両端の交流電源電圧波形を検出する電源電圧波形検出回路１３からの電源電圧に同期した脈動直流電圧波形と直流電圧制御回路１８の出力値を乗算し、電源電圧に同期した正弦波状の入力電流指令値を作成する。

電流制御回路１５は電流指令値に入力電流検出回路１２の出力が一致するようにトランジスタ５のオン時間の比率を示すデューティ信号を算出する。

昇降圧ＰＷＭ信号発生回路１６は電源電圧波形検出回路１３によって得られた交流電源１の電圧のピーク値と、直流電圧検出回路１７によって得られた直流電圧を比較し、交流電源電圧ピーク値が直流電圧より低い場合には、スイッチング素子８のオフ動作した状態で逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３をチョッパ動作を行う。この場合には逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３、リアクトル７、ダイオード９、平滑コンデンサ10、フライホイールダイオード６で構成される降圧チョッパ回路により交流電源電圧より低い直流電圧を得る降圧コンバータ回路を形成する。また、交流電源電圧ピーク値が直流電圧より高い場合には、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３のオン動作した状態にすることで、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３と整流ダイオード４，５で全波整流回路を形成し、スイッチング素子８を駆動する。この場合にはリアクトル７、平滑コンデンサ10、ダイオード９、スイッチング素子８で構成される昇圧チョッパ回路により交流電源電圧より高い直流電圧を得る昇圧コンバータ回路を形成する。尚、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３は素子内部半導体の結晶欠陥密度が高いダイシング側面でのキャリアの発生を抑制することによって逆耐圧特性をもたせたトランジスタであって、オン動作のときには電流を通流し、オフ動作のときには逆方向ダイオードとして機能し、正負両方向の電圧に対して耐圧特性をもつスイッチング素子である。

上記構成及び動作で入力電流は電源電圧波形に相似の正弦波状の連続した電流波形が得られ力率を約１にすることができる。また、直流電圧指令値を変更することで直流電圧を交流電源電圧の大きさに関わらず、交流電源電圧より低い直流電圧から、交流電源電圧より高い直流電圧まで広範囲の所望の直流電圧に制御することが可能である。また、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３の動作状態に応じて、全波整流回路と降圧チョッパ回路を兼ね備えた整流降圧チョッパ回路を形成できるので、全波整流回路と降圧チョッパ回路を別々に備えた回路に比べて回路効率がよい。

図２は本発明の他の実施例の力率改善コンバータの構成図である。

逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ２，３と整流ダイオード４，５、リアクトル７の直流電圧に対する接続位置を換えたもので、その他回路構成、動作は図1と同様なので説明は省略する。

次に本発明の他の実施例のブラシレス直流モータ制御装置を図３を用いて説明する。図３は本発明の他の実施例のブラシレス直流モータ制御装置の構成図である。図１に示した降圧チョッパ回路を使用した力率改善コンバータの負荷としてブラシレス直流モータ駆動装置を接続し、電源の力率改善とモータの制御を同時に行うブラシレス直流モータ制御装置の回路図である。力率改善コンバータは速度制御回路３４からの直流電圧指令により図1と同一の動作を行う。

ブラシレス直流モータ駆動装置はインバータ３０、ブラシレス直流モータ３１、磁極位置検出回路３２、速度検出回路３３、速度制御回路３４、ドライブ信号出力回路３５及び、ドライバ３６から構成される。

インバータ３０は６個のスイッチング素子から構成され、ドライバ３６からの駆動信号に基づいてブラシレス直流モータ３１の巻線に流す電流を切り替える。磁極位置検出回路３２はブラシレス直流モータ３１の誘起電圧を入力しブラシレス直流モータ３１のロータの磁極を検出し、磁極位置信号を速度検出回路３３及び、ドライブ信号出力回路３５に出力する。

速度検出回路３３は磁極位置信号から速度を演算し速度信号を速度制御回路３４に出力している。ドライブ信号出力回路は磁極位置信号を基に矩形波状のドライブ信号を出力する。

ドライバ３６はドライブ信号に従ってインバータ３０のスイッチング素子を駆動する。

速度制御回路３４は速度信号が速度指令値に一致するように直流電圧指令を算出する。

ブラシレス直流モータ３１の速度制御は磁極位置検出回路３２でブラシレス直流モータ３１の誘起電圧を磁極位置検出回路３２によって出力されるタイミングの磁極位置信号によってインバータ３０を駆動するこによって実現できる。

速度制御回路３４では直流電圧指令を演算し直流電圧指令を出力する。

出力された直流電圧指令は直流電圧制御回路１８に入力し、図1で示した電圧制御を行う。

本実施例のインバータではブラシレス直流モータ３１の速度制御を図４に示す直流電圧を変更して行うＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation）制御とインバータ３０のスイッチング素子のオン時間の比率、即ちＤｕｔｙを変更して行うＰＷＭ制御を切替えておこなう。直流電圧が低いときにはＰＷＭ制御により、また、直流電圧が高いときにはＰＡＭ制御により、ブラシレス直流モータ３１の回転数制御を行う。この構成及び動作によりブラシレス直流モータ５１は所望の回転数に制御が可能となる。

以上の動作により力率改善とモータの速度制御が同時に行え、インバータのスイッチング素子を高周波で動作させなくて良く、また直流電圧も低い値で制御できることから高効率なブラシレス直流モータ制御装置が実現できる。

高い回転数または負荷で行うＰＡＭ制御の領域において、インバータ３０のＤｕｔｙは１００％でありためチョッパ損失がなくインバータ効率、モータ効率が共によい。直流電圧が低いときにはインバータ３０はＰＷＭ制御によるチョッパ動作を行うので、損失が大きくインバータ効率、モータ効率が共に悪い。

本実施例では、電源電圧に比べて低い直流電圧から高い直流電圧まで、広範囲の直流電圧を得ることができる回路図1の整流降圧チョッパ回路による力率改善コンバータを備えているので、効率のよいＰＡＭ制御の領域を広範囲にできるので高効率なブラシレス直流モータ制御装置を実現できる。

本発明によって、入力電流は電源電圧波形に相似の正弦波状の連続した電流波形が得られ力率を約１にすることができ、整流降圧チョッパ回路により、直流電圧指令値を変更することで直流電圧を交流電源電圧の大きさに関わらず、交流電源電圧より低い直流電圧から、交流電源電圧より高い直流電圧まで広範囲の所望の直流電圧に制御することが可能な力率改善コンバータを実現できる。

整流降圧チョッパ回路による力率改善コンバータを備えているので、効率のよいＰＡＭ制御の領域を広範囲にできるので高効率なブラシレス直流モータ制御装置を実現できる。

本発明による実施例の力率改善コンバータの構成図。 本発明の他の実施例の力率改善コンバータの構成図。 本発明の他の実施例のブラシレス直流モータ制御装置の構成図。 本発明の他の実施例のブラシレス直流モータ制御装置の回転数または負荷に対するＤｕｔｙ値及び直流電圧値とモータ端子電圧値。

符号の説明

１…交流電源、２，３…逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、４，５…整流ダイオード、６…フライホイールダイオード、７…リアクトル、８…スイッチング素子、９…ダイオード、１０…平滑コンデンサ、１１…負荷、１２…電流検出回路、１３…電源電圧波形検出回路、１４…乗算器、１５…電流制御回路、１６…昇降圧ＰＷＭ信号発生回路、１７…直流電圧検出回路、１８…直流電圧制御回路、１９，２０…ドライバ、２１…整流降圧チョッパ回路、２２…リアクトル、２３…コンデンサ、３０…インバータ、３１…ブラシレス直流モータ、３２…磁極位置検出回路、３３…速度検出回路、３４…速度制御回路、３５…ドライブ信号出力回路、３６…ドライバ。

Claims (4)

1. 交流電源をインダクタンスを利用して所望の大きさの直流電圧に変換する交流−直流変換回路において、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードよりなるブリッジ接続によって構成される整流降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路により構成した力率改善コンバータ。
2. 交流電源電圧ピーク値が出力の直流電圧より高い場合には、昇圧チョッパ回路素子をオフ動作した状態で逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタをチョッパ動作を行うことにより降圧コンバータ回路を形成し、交流電源電圧ピーク値が出力の直流電圧より低い場合には、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタをオン動作した状態にすることで、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタと整流ダイオードで全波整流回路を形成し昇圧チョッパ回路により交流電源電圧より高い直流電圧を得る昇圧コンバータ回路を形成することを特徴とする請求項１の力率改善コンバータ。
3. 交流電源をインダクタンスと逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタとダイオードによって構成される整流降圧チョッパ回路と昇圧チョッパ回路により構成した力率改善コンバータの出力にインバータとモータからなるモータ駆動回路を接続し、整流降圧チョッパ回路の逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタと昇圧チョッパ回路のスイッチング素子の動作を制御して力率改善及び直流電圧の制御を行う力率改善手段と、前記力率改善手段を用いて直流電圧を制御し前記インバータでモータの通流相を切り替え前記モータの速度制御を行う速度制御手段を備えたことを特徴とするブラシレス直流モータ制御装置。
4. 請求項３において、インバータのスイッチング素子のオン時間比率を変えて前記モータの速度制御を行うＰＷＭ／ＰＡＭ制御切替回路を備えたブラシレス直流モータ制御装置。

Images