JP2009189114A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータ回路の保護回路の簡素化を行ない、実装面積、コスト、損失を少なくした直流電源装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子３ａ、３ｂとダイオード４ａ、４ｂとの逆並列接続回路の２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード４ｃ、４ｄを直列接続した直列接続回路と、コンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、スイッチング素子３ａと３ｂの接続点と交流電源との間にリアクタ２をそれぞれ接続し、スイッチング素子過電流検出手段１０と、スイッチング素子制御手段９を備えた構成としてあり、電流検出器５から得られた検出値を用いてスイッチング素子３ａ、シャント抵抗６ａの両端電圧の検出値を用いてスイッチング素子３ｂに流れる過電流を判断することで、共通のＧＮＤ電位で保護できるため、保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換する回路を用い、装置、システム等に高力率、低ひずみで電力を供給する直流電源装置に関するものである。

高力率で高調波を抑制した低ひずみを実現する従来の直流電源装置として、ブリッジ型力率改善回路で２つのスイッチ素子に直列にそれぞれ抵抗を挿入した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図６に示すように、２つのスイッチ素子に流れる電流を半波整流回路で取り出し、それぞれの入力を加算回路で加算して電流検出することで、入力電流波形を入力電圧と相似になるように制御するとともに入力力率の改善を実現したものである。
特開２００３−３３３８５５号公報

しかしながら、図６のような下アームスイッチング方式ではＡＣラインの電位変動により、コモンモードノイズが発生する。そこで、上下スイッチング方式にすることでコモンモードノイズが抑制できるので、上下のスイッチング素子に直列に抵抗を挿入し、従来技術を適用するのが望ましい。

しかし、上下のスイッチング素子をそれぞれ保護するときに、上下の抵抗を利用して保護回路を構成する場合、上下のスイッチング素子の接続点はスイッチング動作のたびに電位が揺さぶられるので、上側の保護回路は下側に比べ大幅に複雑な回路になって、部品点数は多くなり、実装面積、コスト及び損失も多くなるという課題を有していた。

本発明の直流電源装置は、前記のような従来の課題を解決するものであり、保護回路を簡素化することで、実装面積、コスト及び損失を少なくできる直流電源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の直流電源装置は、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード２個を直列接続した直列接続回路と、コンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、スイッチングアームもしくはスイッチング素子の接続点と前記ダイオードの接続点との間にリアクタ、交流電源と電流検出器を直列に接続し、下アームのスイッチング素子に直列にシャント抵抗を挿入し、電流検出器から得られた検出値及びシャント抵抗の両端電圧の検出値によって過電流を判断するスイッチング素子過電流検出手段と、スイッチング素子過電流検出手段の出力に基づきスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたものである。

これによって、上アームを電流検出器から得られた検出値、下アームをシャント抵抗の両端電圧の検出値を用いて過電流保護することで、共通のＧＮＤ電位で保護でき、よって保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。さらに、シャント抵抗を用いることで、上下短絡時の高速保護が可能となる。

本発明の直流電源装置は、上アームを電流検出器から得られた検出値、下アームをシャント抵抗の両端電圧の検出値を用いて過電流保護することで、共通のＧＮＤ電位で保護でき、よって保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。さらに、シャント抵抗を用いることで、上下短絡時の高速保護が可能となる。

第１の発明は、スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード２個を直列接続した直列接続回路と、コンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、スイッチングアームもしくはスイッチング素子の接続点と前記ダイオードの接続点との間にリアクタ、交流電源と電流検出器を直列に接続し、下アームのスイッチング素子に直列にシャント抵抗を挿入し、電流検出器から得られた検出値及びシャント抵抗の両端電圧の検出値によって過電流を判断するスイッチング素子過電流検出手段と、スイッチング素子過電流検出手段の出力に基づきスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えた構成としてあり、上アームを電流検出器から得られた検出値、下アームをシャント抵抗の両端電圧の検出値を用いて過電流保護することで、共通のＧＮＤ電位で保護できるため、保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。さらに、シャント抵抗を用いることで、上下短絡時の高速保護が可能となる。

第２の発明は、スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路を２つ並列接続した回路、及びコンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、スイッチングアームもしくはスイッチング素子の接続点と前記ダイオードの接続点との間にリアクタ、交流電源と電流検出器を直列に接続し、下アームのスイッチング素子に直列にシャント抵抗を挿入し、電流検出器から得られた検出値及びシャント抵抗の両端電圧の検出値によって過電流を判断するスイッチング素子過電流検出手段と、スイッチング素子過電流検出手段の出力に基づきスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えた構成としてあり、上アームを電流検出器から得られた検出値、下アームをシャント抵抗の両端電圧の検出値を用いて過電流保護することで、共通のＧＮＤ電位で保護できるため、保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失が少なくできることとなる。さらに、シャント抵抗を用いることで、上下短絡時の高速保護が可能となる。

第３の発明は、特に、第１あるいは第２の発明の下アームのスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードが、スイッチング素子とシャント抵抗の直列接続回路の両端に接続されたものであり、下アームのオン時のみシャント抵抗に電流が流れるため、より損失を低減することができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明の下アームのスイッチング素子とシャント抵抗の直列接続回路をＭＯＳＦＥＴで置き換え、そのオン抵抗を利用することにより、電流検出器を削除できるので、部品点数が減り、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。

第５の発明は、特に、第４の発明のＭＯＳＦＥＴ自身、もしくはＭＯＳＦＥＴ近傍の温度検出手段を備え、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗を、温度特性を補正することで、より精度よく保護できるようになる。

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、本発明にかかる第１の実施の形態の直流電源装置を示す構成図である。図１において、交流電源１の出力端からリアクタ２を経由してスイッチング素子３ａ、３ｂとダイオード４ａ、４ｂとの逆並列接続回路からなる直列接続回路と、交流電源１の出力端から電流検出器を経由してダイオード４ｃ、４ｄからなる直列接続回路より構成されるブリッジ回路に入力される。ブリッジ整流回路の出力には平滑コンデンサ７、負荷８が接続されている。さらに、電流検出器５から得られた検出値に基づいてスイッチング素子制御手段９を制御するものであって、目標電流波形と相似な電流波形になるように、スイッチング素子３ａ、３ｂの適切なパルス信号を出力している。

次に過電流が流れた場合の動作について説明する。図２は電源位相が正または負の時の電流の流れる経路を示すものであり、ここではシャント抵抗は６ａスイッチング素子３ｂとダイオード４ｂの逆並列接続回路に直列に接続された場合について説明する。

交流電源１の正の半周期は、図２（ａ）に示すように、スイッチング素子３ｂがオンの時は、交流電源１−リアクタ２−スイッチング素子３ｂ−シャント抵抗６ａ−ダイオード４ｄ−電流検出器５−交流電源１の電流経路が形成され、スイッチング素子３ｂがオフの時は交流電源１−リアクタ２−ダイオード４ａ−平滑コンデンサ７−ダイオード４ｄ−電流検出器５−交流電源１の電流経路が形成される。スイッチング素子３ｂに過電流が流れたとすると、スイッチング素子３ｂに流れる電流をシャント抵抗６ａによって電圧レベルで検出し、その電圧レベルが過電流検知レベルを超えれば過電流が発生したと見なして保護回路を動作させる。

一方、交流電源１の負の半周期は、図２（ｂ）に示すように、スイッチング素子３ａがオンの時は、交流電源１−電流検出器５−ダイオード４ｃ−スイッチング素子３ａ−リアクタ２−交流電源１の電流経路が形成され、スイッチング素子３ａがオフの時は、交流電源１−電流検出器５−ダイオード４ｃ−平滑コンデンサ７−ダイオード４ｂ−リアクタ２−交流電源１の電流経路が形成される。スイッチング素子３ａに過電流が流れた時は、入力電流制御に用いている電流検出器５を利用する。スイッチング素子３ａに流れる電流は電流検出器５で検出できるので、その検出値が過電流検知レベルを超えれば過電流が発生したと見なして保護回路を動作させる。

そうすることで、スイッチング素子３ａ、３ｂの両方にシャント抵抗を挿入しなくても、スイッチング素子３ａは電流検出器５から得られた検出値、スイッチング素子３ｂはシャント抵抗６ａの両端電圧の検出値によって過電流を判断するようにすれば、保護回路は少なくとも１組のみでよいので実装面積は少なくてすむ。もちろんシャント抵抗をスイッチング素子３ａ、３ｂに直列に接続しても過電流保護動作を行なうことは可能であるが、図１のような上下にスイッチング素子３ａ、３ｂがあるコンバータ回路では、スイッチング動作のたびに上下のスイッチング素子の接続点の電位は変わるので、上アームのスイッチング素子３ａに直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧は揺さぶられ、通常保護回路は複雑かつ困難になる。しかし、電流検出器５から得られた検出値を用いることで保護回路を簡素化でき、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。

一方、スイッチング素子３ａ、３ｂが同時オンした上下短絡の時は、図２（ｃ）に示すように、スイッチング素子３ａ−スイッチング素子３ｂ−シャント抵抗６ａ−平滑コンデンサ７−スイッチング素子３ａの電流経路が形成される。この時はシャント抵抗６ａの両端電圧の検出値で過電流を判断し、シャント抵抗６ａを用いることで上下短絡時の高速保
護が可能となる。

（実施の形態２）
図３は、本発明にかかる第２の実施の形態の直流電源装置を示す構成図である。図３において、交流電源１の出力端からリアクタ２を経由してスイッチング素子３ａ、３ｂとダイオード４ａ、４ｂとの逆並列接続回路からなる直列接続回路と、交流電源１の出力端から電流検出器５を経由してスイッチング素子３ｃ、３ｄとダイオード４ｅ、４ｆとの逆並列接続回路からなる直列接続回路より構成されるブリッジ回路に入力される。ブリッジ整流回路の出力には平滑コンデンサ７、負荷８が接続されている。

過電流が流れた場合の動作については図１と同様の作用を行なうものであり、スイッチング素子３ｂ、３ｄがオンの時はシャント抵抗６ａ、６ｂの両端電圧の検出値で過電流を判断し、スイッチング素子３ａ、３ｃがオンの時は電流検出器５から得られた検出値を用いることで過電流保護が可能となる。さらに、スイッチング素子３ａ、３ｂが同時オンした時、あるいはスイッチング素子３ｃ、３ｄが同時オンした時はシャント抵抗６ａ、６ｂの両端電圧の検出値で過電流を判断し、シャント抵抗６ａ、６ｂを用いることで上下短絡時の高速保護が可能となる。

（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１あるいは２の下アームのスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードを、スイッチング素子とシャント抵抗の直列接続回路の両端に接続したものである。図４は、本発明にかかる実施の形態３のスイッチングアームの構成図である。図４は、スイッチング素子３ｂとシャント抵抗６ａの直列接続回路の両端にダイオード４ｂを接続した構成図を示したものであり、通常スイッチング素子３ｂがオンの時はシャント抵抗６ａに電流が流れるが、オフの時はシャント抵抗６ａに電流が流れない。

スイッチング素子３ｂとシャント抵抗６ａの直列接続回路の両端にダイオード４ｂを接続することで、シャント抵抗６ａにはスイッチング素子３ｂがオンの時にしか流れないので、より損失が低減できる。また、図３のような構成の場合、スイッチング素子３ｄとシャント抵抗６ｂの直列接続回路の両端にダイオード４ｆを接続することで、同様の効果が得られる。

（実施の形態４）
実施の形態４では、実施の形態１〜３のスイッチング素子３ｂとシャント抵抗６ａの直列接続回路をＭＯＳＦＥＴで置き換えたものである。図５は、本発明にかかる実施の形態４のＭＯＳＦＥＴを用いたときの直流電源装置の構成図である。図５において、ＭＯＳＦＥＴがオンした時のドレインーソース間の電圧を検出し、そのドレインーソース間の電圧と基準電圧（Ｖｒｅｆ）を比較し、ドレインーソース間の電圧が過大であればコンパレータの出力がアクティブＨｉ（またはアクティブＬｏ）になり、過電流が発生したと見なして保護回路を動作させる。そうすることで、シャント抵抗６ａを用いなくても保護回路を構成することができ、実装面積、コスト及び損失を少なくすることができる。また、図３のような構成の場合、スイッチング素子３ｄとシャント抵抗６ｂの直列接続回路もＭＯＳＦＥＴで置き換えることで、同様の効果を得ることができる。

さらに、図５に示すように、ＭＯＳＦＥＴ、もしくは近傍の温度検出手段１３を備え、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度特性の補正を行なう。温度によるオン抵抗のばらつきを補正することで、オン抵抗のばらつきが小さくなることからドレインーソース間の電圧のばらつきも小さくなり、基準電圧（Ｖｒｅｆ）の設計はばらつきを小さくした設計でよくなる。つまり、オン抵抗の温度特性の補正を行なうことで、より精度よく保護できるようになる。

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、入力電流を検出する電流検出器から得られた検出値、シャント抵抗の両端電圧を検出することで、簡単な構成で過電流保護検知が可能となるので、大出力のインバータエアコン等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における直流電源装置の構成図 （ａ）（ｂ）（ｃ）本発明の実施の形態１における各部動作の説明図 本発明の実施の形態２における直流電源装置の構成図 本発明の実施の形態３におけるスイッチングアームの構成図 本発明の実施の形態４における直流電源装置の構成図 従来の直流電源装置の一例に係る構成図

符号の説明

１ 交流電源
２ リアクタ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ スイッチング素子
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ ダイオード
５ 電流検出器
６ａ、６ｂ シャント抵抗
７ 平滑コンデンサ
８ 負荷
９ スイッチング素子制御手段
１０ スイッチング素子過電流検知手段
１１ コンパレータ
１２ ＭＯＳＦＥＴ
１３ 温度検出及び温度補正手段

Claims (5)

1. スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路と、ダイオード２個を直列接続した直列接続回路と、コンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、前記スイッチングアームもしくは前記スイッチング素子の接続点と前記ダイオードの接続点との間にリアクタ、交流電源と電流検出器を直列に接続し、下アームのスイッチング素子に直列にシャント抵抗を挿入し、前記電流検出器から得られた検出値及び前記シャント抵抗の両端電圧の検出値によって過電流を判断するスイッチング素子過電流検出手段と、前記スイッチング素子過電流検出手段の出力に基づきスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたことを特徴とする直流電源装置。
2. スイッチング動作により交流電源から直流を作り出す直流電源装置において、スイッチング素子とダイオードとの逆並列接続回路からなるスイッチングアームもしくは逆導通機能を有するスイッチング素子の中から同じもの同士を含めていずれか２つを直列接続した直列接続回路を２つ並列接続した回路、及びコンデンサを並列接続したコンバータ回路であって、前記スイッチングアームもしくは前記スイッチング素子の接続点と前記ダイオードの接続点との間にリアクタ、交流電源と電流検出器を直列に接続し、下アームのスイッチング素子に直列にシャント抵抗を挿入し、前記電流検出器から得られた検出値及び前記シャント抵抗の両端電圧の検出値によって過電流を判断するスイッチング素子過電流検出手段と、前記スイッチング素子過電流検出手段の出力に基づきスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段を備えたことを特徴とする直流電源装置。
3. 下アームのスイッチング素子に逆並列接続されるダイオードが、前記スイッチング素子とシャント抵抗の直列接続回路の両端に接続される請求項１または２に記載の直流電源装置。
4. 下アームのスイッチング素子とシャント抵抗の直列接続回路をＭＯＳＦＥＴで置き換えた請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電源装置。
5. ＭＯＳＦＥＴ自身、もしくはＭＯＳＦＥＴ近傍の温度検出手段を備え、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗の温度特性を補正する請求項４に記載の直流電源装置。