JP2009177935A - 直流電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、電源高調波の抑制と力率改善機能を有し、高効率かつノイズの少ない直流電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源1と、高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの直列回路が同一方向に複数組並列接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの接続部と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトル4a、4bと、直並列接続回路の並列接続点間に接続され、負荷6に並列に接続された平滑コンデンサ5とを備え、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段3a、3bが接続される側の並列接続点と交流電源1の各ライン間にそれぞれダイオード7a、7bを接続し、スイッチング手段3a、3bを制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する。
【選択図】図1
【解決手段】交流電源1と、高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの直列回路が同一方向に複数組並列接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの接続部と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトル4a、4bと、直並列接続回路の並列接続点間に接続され、負荷6に並列に接続された平滑コンデンサ5とを備え、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段3a、3bが接続される側の並列接続点と交流電源1の各ライン間にそれぞれダイオード7a、7bを接続し、スイッチング手段3a、3bを制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する。
【選択図】図1
Description
本発明は、交流電源からの交流電圧を整流して負荷へ直流電圧を供給する直流電源装置に関する。
従来、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率にて交流電圧から直流電圧に電力変換を行う直流電源装置を実現する回路として、図8に示すものが知られている。この図8の回路によれば、交流入力電流の高調波抑制と力率改善を行いつつ、交流電圧を全波整流して得られる直流電圧より高い出力電圧を得るためのAC/DC変換回路において、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることによって、高い変換効率を得ることができる(例えば、特許文献1参照)。
また、同様の効果を有する直流電源装置を実現する別の回路として、図9に示すようなものが知られている。この図9の回路によれば、2個のスイッチング素子201、203を、直流電源装置の負側電位を基準とした電源および駆動信号によって直接駆動することができるため、スイッチング素子の駆動電源および駆動回路の構成を簡単にすることができると同時に、高価な直流電流検出器を使用せずに交流電源1の入力電流を検出することができる(例えば、特許文献2参照)。
特公平7−79548号公報
特開2003−348849号公報
しかしながら、上記従来の直流電源装置は、前者の場合、2個のスイッチング素子の電位が異なるために、HVIC(高耐圧IC)やフォトカプラを用いた回路構成が必要となり、スイッチング素子の駆動動回路および保護回路が後者に比べて複雑になるという課題がある。
また、後者の場合、リアクトルに接続されていない側のスイッチング素子のスイッチング動作時に、負荷に供給される直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動が生じるため、コモンモードノイズが増加するという課題がある。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、簡単な回路構成にて、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率かつ低ノイズにて、交流電圧から直流電圧に電力変換を行う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、本発明の電源装置は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれダイオードが接続された構成とすることにより、HVICやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、複数組のスイッチング手段のうち、スイッチング動作する側のスイッチング手段に接続されたリアクトルのみに電流が流れ、他
方のリアクトルには電流が流れず、ダイオードに電流が流れることから、電流が流れない側のリアクトルに接続された側の交流電源ラインの電位を、負荷へ供給される直流電圧の負側電位に常に固定することができるため、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができる。
方のリアクトルには電流が流れず、ダイオードに電流が流れることから、電流が流れない側のリアクトルに接続された側の交流電源ラインの電位を、負荷へ供給される直流電圧の負側電位に常に固定することができるため、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができる。
本発明の直流電源装置は、HVICやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができるため、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善の機能を有する高効率かつ低ノイズの直流電源装置を実現することができる。
第1の発明は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給することにより、HVICやフォトカプラを用いることなく、スイッチング手段を駆動することができ、かつ、電流の通過する半導体素子の個数を最少とすることができると同時に、スイッチング手段のスイッチング動作によって発生する直流電圧の負側電位から見た交流電源ラインの電位変動を抑制することができるため、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善の機能を有する直流電源装置を、高効率かつ低ノイズにて実現することができる。
第2の発明は、交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点に一端が接続された電流検出用抵抗と、電流検出用抵抗の他端と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置であって、電流検出用抵抗の両端電圧によって交流電源の入力電流を検出することによって、交流電源の入力電流の検出回路を簡単に構成することができる。
第3の発明は、特に、請求項1の発明のスイッチング手段を、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続されたダイオードとスイッチング素子の直列接続回路にて構成することによって、本来オフ動作すべきスイッチング手段の誤点弧があった場合においても、複数のリアクトルに同時に電流が流れることを防止することができる。
第4の発明は、特に、請求項1の発明のスイッチング手段を、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続された逆阻止IGBTで構成することによって、回路を小型化することができる。
第5の発明は、特に、請求項1の発明のスイッチング手段を、平滑コンデンサの負極側に接続することによって、直流電圧の負側電位基準の駆動電源および駆動信号でスイッチ
ング手段を駆動できるため、回路構成を簡単にすることができる。
ング手段を駆動できるため、回路構成を簡単にすることができる。
第6の発明は、複数個のリアクトルを、同一のコアにて構成することによって、リアクトルを小型化することができるため、回路を小型化することができる。
第7の発明は、リアクトルの各巻線を、交流電源の各ラインから直並列接続回路側へ流れる向きの電流による磁束の向きが同一となる方向に巻くことによって、リアクトルのコアに生じる磁束の方向を一方向のみとすることで、リアクトルの鉄損を低減することができるため、より高効率な電源を実現することができる。
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、本実施の形態における直流電源装置は、交流電源1と、2組の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの直列回路が同一方向に並列接続された直並列接続回路を備え、直並列接続回路の各々の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの接続部と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続されたリアクトル4a、4bと、直並列接続回路の並列接続点間に接続された平滑コンデンサ5とを備え、平滑コンデンサ5には負荷6が並列接続される。
さらに、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段3a、3bに接続される側の直並列接続回路の並列接続点と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオード7a、7bを有する。
スイッチング手段3a、3bは、MOSFETやIGBT、パワートランジスタなどのスイッチング素子で構成され、図8や図9に示す従来の直流電源装置と同様、交流電源1の半周期毎に一方をオフに、他方をアクティブにスイッチング動作させることで交流電源1からの入力電流が略正弦波状の電流に制御しつつ、所望の直流電圧を負荷6へ供給する。
図1より明らかなように、2組のスイッチング手段3a、3bは、いずれも負荷6へ供給される直流電圧の負側電位を基準とする直流電源および駆動信号(図示せず)にて駆動することが可能である。
したがって、スイッチング手段3a、3bの駆動において、HVICやフォトカプラなどの部品を必要としないため、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段3a、3bの駆動回路を簡単な構成とすることができる。
図2は、交流電源1の電源電圧が正の半周期間における電流の流れる経路を示した図である。交流電源1の電源電圧が正の半周期間においては、スイッチング手段3bは常にオフに制御され、スイッチング手段3aがオン・オフ制御される。
図2(a)は、スイッチング手段3aのオン時に、図2(b)は、スイッチング手段3aのオフ時にそれぞれ対応する。
図2に示すように、交流電源1の電源電圧が正の半周期間には、リアクトル4aのみに電流が流れ、リアクトル4bには電流が流れない。
したがって、スイッチング手段3aがオン・オフ動作しても、交流電源1のV点の電位は、ダイオード7bの電圧降下を無視すると直流電圧の負側電位に固定されるため、スイッチング動作による電位変動は、図8に示す従来の直流電源装置と同様に生じない。
また、図3は、交流電源の電源電圧が負の半周期間における電流の流れる経路を示した図である。交流電源1の電源電圧が負の半周期間においては、スイッチング手段3aは常にオフに制御され、スイッチング手段3bがオン・オフ制御される。
図3(a)は、スイッチング手段3bのオン時に、図3(b)は、スイッチング手段3bのオフ時にそれぞれ対応する。
図3に示すように、交流電源1の電源電圧が負の半周期間には、リアクトル4bのみに電流が流れ、リアクトル4aには電流が流れない。
したがって、スイッチング手段3bがオン・オフ動作しても、交流電源1のU点の電位は、ダイオード7aの電圧降下を無視すると直流電圧の負側電位に固定されるため、スイッチング動作による電位変動は、図8に示す従来の直流電源装置と同様に生じない。
以上により、本発明の直流電源装置は、交流電源1の電源電圧が正の半周期間においても、負の半周期間においても、図9に示すような従来の直流電源装置で生じるスイッチング動作時における電位変動によるコモンモードノイズの増加は起きない。
なお、本実施の形態における直流電源装置は、図2、図3に示すように、スイッチング手段3a、3bに流れる電流の向きが単一方向に限定されることから、スイッチング手段3a、3bにはダイオードを逆並列接続する必要はない。
また、本発明の直流電源装置は、図8および図9に示す従来の直流電源装置と同様に、よく知られている1石昇圧型のアクティブフィルタで構成される直流電源装置に比べて、電流の通過する半導体の個数を減少することができるため、損失を低減することができる。
したがって、本実施の形態の直流電源装置は、簡単な回路構成にて、高調波の抑制と力率改善機能を有し、高効率かつ、ノイズの少ない直流電源装置を実現することができる。
(実施の形態2)
図4は、本発明の第2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4は、本発明の第2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4に示すように、本発明における直流電源装置は、交流電源1と、2組の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの直列回路が同一方向に並列接続された直並列接続回路を備え、直並列接続回路の各々の高速ダイオード2a、2bとスイッチング手段3a、3bの接続部と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続されたリアクトル4a、4bと、直並列接続回路の並列接続点間に接続された平滑コンデンサ5とを備え、平滑コンデンサ5には負荷6が並列接続される。
さらに、本実施の形態における直流電源装置は、スイッチング手段3a、3bに接続される側の直並列接続回路の並列接続点に接続された電流検出用抵抗8と、電流検出用抵抗8と交流電源1の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオード7a、7bを有する。
本実施の形態における直流電源装置の電流経路は、実施の形態1における図2、図3に
示した電流経路と同様となることから、電流検出用抵抗8には、交流電源1の入力電流の絶対値と常に等しい電流が同一方向に流れる。
示した電流経路と同様となることから、電流検出用抵抗8には、交流電源1の入力電流の絶対値と常に等しい電流が同一方向に流れる。
したがって、本実施の形態における直流電源装置は、電流検出用抵抗8の両端電圧VRを用いて、交流電源1からの入力電流を簡単に検出することができる。
図5に、本発明の実施の形態の直流電源装置における、制御ブロックを含む構成の一例を示す。
本発明の直流電源装置は、交流電源1の両端に接続されたゼロクロス検出部9において、交流電源1の電圧位相を検出し、平滑コンデンサ5の両端の直流電圧を検出する出力電圧検出部10によって検出された直流電圧と、目標電圧(図示せず)との電圧偏差から、目標電流生成部11において電圧偏差をPI補償して得られる値に比例した振幅を有し、交流電源1の電圧位相に同期した正弦波状の電流を目標電流に設定する。
さらに、電流検出部12において、電流検出用抵抗8の両端電圧から交流電源1の入力電流を検出し、短絡制御部13において、交流電源1の電圧位相に応じてスイッチング手段3a、3bの一方をオフとし、検出された入力電流値が目標電流の絶対値と等しくなるようにPWM制御を行うことで、スイッチング手段3a、3bの他方の短絡タイミングを決定する。
以上により、本実施の形態の直流電源装置は、交流電源1からの入力電流を正弦波状に制御することができ、高調波電流の抑制および力率の改善が可能となる。
また、電流検出用抵抗8には、常に交流電源1からの入力電流の絶対値に等しい電流が同一方向に流れることから、図9に示す直流電源装置のようにカレントトランス等で構成される電流検出器を必要とせずに、交流電源1からの入力電流を簡単に検出することができる。
(実施の形態3)
図6は、本発明の第3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6は、本発明の第3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6に示すように、本実施の形態の直流電源装置は、実施の形態1または2において、リアクトル4a、4bのコアを共通とするものである。
リアクトル4a、4bのコアを共通としたリアクトル4とすることによって、リアクトル4の一方の巻線に電流が流れる際に他方の巻線に、コア内の磁束の変化を妨げる方向に電圧が誘起される。
これによって、スイッチング手段3a、3bに、通流方向と逆向きの電圧が印加されるタイミングが生じるため、図6に示すように、スイッチング手段3a、3bは、ダイオード14a、14bとスイッチング素子15a、15bの直列回路によって構成される。
本発明における直流電源装置は、リアクトル4a、4bのコアを共通とすることで、実施の形態1または2に比べてコアの数が少なくすむため、回路の小型化が可能となる。
さらに、リアクトル4の各巻線を、図6に示すように、交流電源1の各ラインから負荷側、すなわち、ダイオード14a、14bとスイッチング素子15a、15bの直列回路側へ流れる向きの電流が作るコア内の磁束が同一方向となるように巻くことによって、コア内の磁束の向きを一方向のみに制限することができる。
図8や図9に示すように単一のリアクトル134で構成される従来の直流電源装置では、リアクトルには双方向の電流が流れることから、本実施の形態における直流電源装置は、従来の直流電源装置に比べて、ヒステリシスループを小さくすることができるため、従来回路に比べてリアクトル4の鉄損を低減することができ、より高効率な電源を得ることが可能となる。
なお、本実施の形態の直流電源装置は、スイッチング手段3a、3bとして、ダイオード14a、14bとスイッチング素子15a、15bの直列回路を用いているため、本来オフ動作すべきスイッチング素子の誤点弧が生じた場合においても、ダイオード15a、15bが存在することにより、交流電源1をリアクタ4を介してスイッチング素子3aとスイッチング素子3bとで短絡する電流経路を完全に遮断することができる。
この効果は、リアクトルのコアを共通としない回路構成の場合においても同様である。
また、本実施の形態では、スイッチング手段3a、3bとして、ダイオード14a、14bとスイッチング素子15a、15bの直列回路を用いたが、図7(a)(b)(c)に示すような双方向スイッチにて構成してもよいし、逆耐圧性能を有するスイッチング素子である逆阻止IGBTにて構成することによって、さらに回路を小型化することが可能である。
以上のように、本発明にかかる電源装置は、簡単な構成にて、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、高効率でノイズの少ない直流電源装置を得ることができるため、空気調和機や、ヒートポンプ給湯機、冷蔵庫、洗濯機などの電化製品の電源装置として適用できる。
1 交流電源
2 高速ダイオード
3a スイッチング手段
3b スイッチング手段
4a リアクトル
4b リアクトル
5 平滑コンデンサ
6 負荷
7a ダイオード
7b ダイオード
8 電流検出用抵抗
14a ダイオード
14b ダイオード
15a スイッチング素子
15b スイッチング素子
2 高速ダイオード
3a スイッチング手段
3b スイッチング手段
4a リアクトル
4b リアクトル
5 平滑コンデンサ
6 負荷
7a ダイオード
7b ダイオード
8 電流検出用抵抗
14a ダイオード
14b ダイオード
15a スイッチング素子
15b スイッチング素子
Claims (7)
- 交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置。
- 交流電源と、負荷に並列に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサを充電する方向に配置された高速ダイオードとスイッチング手段の直列回路が複数組並列接続されて平滑コンデンサの両端に接続された直並列接続回路と、直並列接続回路の各々の高速ダイオードとスイッチング手段の接続部と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続された複数個のリアクトルと、直並列接続回路の並列接続点のうち、スイッチング手段が接続される側の並列接続点に一端が接続された電流検出用抵抗と、電流検出用抵抗の他端と交流電源の各ライン間にそれぞれ接続されたダイオードとを備え、スイッチング手段を制御することによって所望の直流電圧を負荷へ供給する直流電源装置であって、前記電流検出用抵抗を用いて交流電源の入力電流を検出することを特徴とする直流電源装置。
- スイッチング手段は、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続されたダイオードとスイッチング素子の直列接続回路にて構成され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。
- スイッチング手段は、通流方向が高速ダイオードと異なる向きに接続された逆阻止IGBTで構成され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。
- 直並列接続回路のスイッチング手段は、平滑コンデンサの負極側に接続されることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の直流電源装置。
- 複数個のリアクトルは、同一のコアにて構成されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の直流電源装置。
- リアクトルの各巻線は、交流電源の各ラインから直並列接続回路側へ流れる向きの電流による磁束の向きが同一となる方向に巻かれていることを特徴とする請求項6に記載の直流電源装置。
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