JP2009273228A - 電源装置およびそれを備えた空気調和機 - Google Patents

Abstract

【課題】電源高調波の抑制と力率改善機能を有し、軽負荷時に高い効率を有する電源装置を提供する。
【解決手段】交流電源１と、互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれ、並列接続された第１のコイル２、第２のコイル３を備えた複数のコイルと、複数のコイルを介してブリッジ接続されたダイオード５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆにより整流し、コンデンサ６により出力を平滑する電源装置において、複数のコイルをコモンモードチョークコイルあるいは第２のコイル２のみに切り替える前記第１の開閉手段４及び前記第２の開閉手段８を備えるとともに、複数のコイルを介して交流電源１を短絡せしめるスイッチング手段９を備えることで、軽負荷時における電力変換効率の高い電源装置を構成し、さらに重負荷時のコモンモード抑制効果を得ることができる。
【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する電源装置を実現する回路として、図９に示すような回路が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この図９に示す回路によれば、電源装置は、図１０（ａ）の電圧波形を有する交流電源１からの入力電流を、図１０（ｂ）に示すような正弦波状に制御することで、高調波の抑制と力率改善とを行いつつ、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負荷へ供給することができる。

また、同様の機能を有する電源装置を実現する別の回路として、図１１に示すような回路が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この図１１の回路によれば、交流電源１から整流器１１２を介してコンデンサ６を充電する経路において、図９の回路に比べてダイオード１０４の分だけ導通損が低減する効果に加えて、電源周期の一部区間のみ電源短絡手段１１０をＰＷＭ制御し、残りの区間電源短絡手段１１０をオフすることで、電源短絡手段１１０のスイッチング損失を低減することができるため、より高い電力変換効率を得ることができる。
特開昭６３−２２４６９８号公報 特開２００１−１８６７７０号公報

しかしながら、上記従来の電源装置は、両者ともに電源短絡手段のスイッチング動作時に生じるリアクトルからの騒音発生を防止するために、可聴周波数領域外となる１６ｋＨｚ以上の高い周波数によるスイッチング動作を伴うため、コンバータ損失に占めるスイッチング損失の割合が比較的大きく、特に軽負荷時における電源装置の電力変換効率を高める上で課題となっていた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、小型・軽量な構成で、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有するとともに、軽負荷時において、高効率にて交流電圧から直流電圧に電力変換を行う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、互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれ、並列接続された第１のコイル、第２のコイルを備えた複数のコイルと、前記複数のコイルを介してブリッジ接続されたダイオードにより整流し、コンデンサにより出力を平滑する電源装置であって、前記複数のコイルを単独あるいは並列接続に切り替える第１の開閉手段がダイオード対の中点に接続され、第１のコイルが第２の開閉手段を介して異なるダイオード対の中点に接続され、前記複数のコイルを介して前記交流電源を短絡せしめるスイッチング手段を有する構成としてあり、負荷の状態に応じて、前記開閉手段によって交流ラインに接続されるインダクタンスの大きさを切り替えると同時に、スイッチング手段の制御状態（スイッチング動作の有無）を切り替えることができる。

本発明の電源装置は、中〜重負荷時において、従来の電源装置と同じ回路構成にてスイッチング動作を行うことにより、従来の電源装置同等の電源高調波の抑制と力率改善の機能を備えるとともに、軽負荷時において、交流ラインに接続されるインダクタンス値を高くして、スイッチング動作を停止することができるため、軽負荷時における電力変換効率の高い電源装置を得ることができ、さらに、互いに巻き数の異なる複数のコイルを共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれた構成にすることによって、重負荷時にコモンモード抑制効果を得ることができる。

第１の発明は、交流電源と、互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれ、並列接続された第１のコイル、第２のコイルを備えた複数のコイルと、前記複数のコイルを介してブリッジ接続されたダイオードにより整流し、コンデンサにより出力を平滑する電源装置であって、前記複数のコイルを単独あるいは並列接続に切り替える第１の開閉手段がダイオード対の中点に接続され、第１のコイルが第２の開閉手段を介して異なるダイオード対の中点に接続され、前記複数のコイルを介して前記交流電源を短絡せしめるスイッチング手段を有する構成としたことにより、負荷の状態に応じて、交流ラインに接続されるインダクタンスの大きさと、スイッチング手段の制御状態（スイッチング動作の有無）を切り替えることができるため、従来の電源装置同等の力率改善機能を有する回路と、交流ラインに接続されるインダクタンスを大きくしてスイッチング手段を常にオフとすることによって、スイッチング損失を削減し、高い電力変換効率を得られる回路とを状況に応じて選択し、動作させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第１のコイルの巻き数は第２のコイル巻き数を少なくしたものであり、第１のコイルの巻き数を第２のコイルの巻き数より少なくすることで、複数のコイルをより小型・軽量にすることができる。

第３の発明は、特に、第１及び第２の発明において、第２の開閉手段の両端間にＰＴＣを挿入したものであり、ＰＴＣを挿入することで突入電流を防止することができるので、安全の動作させることができる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明において、電源装置の入力、出力、またはそれらに呼応する電源装置の負荷状態に応じて、開閉手段の開閉状態を切り替えることによって、軽負荷時にスイッチング手段をオフとし、高い電力変換効率が得られる回路での動作を選択することができる。

第５の発明は、特に、第１から第４の発明において、第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を相補的に制御するとともに、それらの切り替え時の一定時間、第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を全て閉とすることによって、電流経路が切断されることなく滑らかに動作モード間を移行することができる。

第６の発明は、特に、第１から第５の発明における電源装置において、スイッチング手段をオン・オフ動作させる第１の動作モードと、複数のコイルのうち第２のコイルのみに電流が流れ、スイッチング手段を常にオフに制御する第２の動作モードとを備え、第２の動作モードは、第１の動作モードよりも軽負荷となる条件で選択することによって、第１の発明および第４の発明と同様に、中〜重負荷時において従来の電源装置同等の力率改善機能を有するとともに、軽負荷時において高い電力変換効率を得ることができるとともに、第２のコイルの電流定格を小さく抑えられることにより、回路を小型・軽量な構成とすることができる。

第７の発明は、第１から第６のいずれかの発明における電源装置を用いた空気調和機である。

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電源装置の主回路の構成を示すものである。

図１において、１は交流電源、２，３はコイルで、第１のコイル２と第２のコイル３は互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアによって構成され、第１のコイル２と第２のコイル３は、交流電源１からの第１の開閉手段４に流れる電流が遮断される際に、両者のコイルによって生じる磁束の向きが足しあわされる向き（コモンモード）にて巻かれる。

この電源装置は、交流電源１からの交流電圧を、第１の開閉手段４を介してそれぞれハーフブリッジを構成するダイオード対（５ａ、５ｂ）およびダイオード対（５ｃ、５ｄ）によって整流した後、コンデンサ６によってその出力を平滑し、負荷７へ直流電圧を供給する第１の経路と、交流電源１からの交流電圧を、並列接続された第１のコイル、第２のコイルは互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアによって構成された複数のコイルと、第２の開閉手段８を介して、ダイオード対（５ａ、５ｂ）およびダイオード対（５ｅ，５ｆ）によって整流した後、コンデンサ６によってその出力を平滑し、負荷７へ直流電圧を供給する第２の経路を有し、さらに、交流電源１を第１のコイル２と第３のコイル３とが共通のコアによって構成された複数のコイルを介して短絡・開放するスイッチング手段９を備える。

スイッチング手段９は、双方向性のスイッチング手段であり、例えば、図２（ａ）〜（ｃ）のような回路で構成される。

図３に、本実施の形態における電源装置の構成図を示す。

図３に示すように、本発明の電源装置は、図１に示した主回路構成に加えて、交流電源１からの入力電流を検出する電流検出手段１０と、抵抗１１ａ、１１ｂで構成されて負荷７へ供給している直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、スイッチング手段９を駆動する駆動制御回路１２とを備え、入力電流を略正弦波状に保ちつつ、直流電圧が目標電圧に等しくなるように、制御部１３にてフィードバック制御を行い、駆動制御回路１２を通じてスイッチング手段９をＰＷＭ制御する。

本発明の電源装置は、第１の開閉手段４をオフ、第２の開閉手段８をオンとした状態で、スイッチング手段９をオン・オフ制御する第１の動作モードと、第１の開閉手段４をオン、第２の開閉手段８をオフとした状態で、スイッチング手段９を常にオフに制御する第２の動作モードとを備える。

なお、第２の開閉手段８の両端間には、電源投入時における突入電流を抑制するために、ＰＴＣ１４が挿入されており、制御部１３は、電源投入から数秒程度経過後に、第１の開閉手段４をオフに保持したまま、第２の開閉手段８をオンすることで、安全に第１の動作モードへと移行する。

なお、本実施の形態１は、電流を流すと自己発熱によって抵抗が増加する性質を持った素子ならば、突入電流を抑制するといった基本的な効果については同様であり、ＰＴＣに
限定するものではない。そして、上記負荷７を圧縮機とした空気調和機に用いることができる。

図４は、本発明の実施の形態１における電源装置の第１の動作モード時における主回路の等価回路図を示したものである。

図４に示すように、本発明の電源装置は、第１の動作モードにおいて、スイッチング手段９にて、交流電源１を第１のコイル２と第３のコイル３とが共通のコアによって構成された複数のコイルを介して短絡・開放することによって、特許文献１に示されるような従来の電源装置と同様に、交流電源１からの入力電流波形を図１０（ｂ）に示すような電流波形に制御し、電源高調波の抑制および力率の改善を行うことができる。

さらに、複数のコイルは第１のコイル２と第２のコイル３とが共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれた構成であり、第１のコイルの巻き数は第２の巻き数より少なくしたものであり、交流電源１からの見かけ上のインダクタンス値は第１のコイルと第２のコイルの差分となる。コモンモード電流が流れると第１のコイル２と第２のコイル３に同じ向きに足し合わされた磁束が発生するので、大きなインピーダンスが発生する。そのため、コモンモード電流に対してはインダクタンス成分で電流が減衰される傾向になるので、重負荷時のコモンモード抑制効果が得られる。

図５は、本発明の実施の形態１における電源装置の第２の動作モード時における主回路の等価回路図を示したものである。

図５に示すように、本発明の電源装置は、第２の動作モードにおいて、第２のコイル３のみが接続されることとなる。第１の動作モードでは、第１のコイル２と第２のコイル３は互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれた構成であるので、交流電源１からの見かけ上のインダクタンスは第１のコイル２と第２のコイル３の差分と小さくなる。そのため、第２の動作モードでは第２のコイルのみが接続されることによって、第１の動作モードに比べて大きなインダクタンスが交流ラインに接続されることから、インダクタンスの挿入効果によって高調波電流が低減することになる。

したがって、比較的軽負荷の状況においては、第２のコイル３より得られるインダクタンスを一定の大きさ以上の値に設定することにより、スイッチング手段９のオン・オフ制御による入力電流制御を行わなくとも、電源高調波を規制値以下の値に抑制することが可能となる。

図６（ａ）〜（ｃ）に、交流電源１の電圧波形と、本発明の実施の形態１における電源装置の第２の動作モードにおける入力電流波形および電源高調波スペクトルの例を示す。

図６（ｃ）に示すように、本発明の電源装置は、第１のコイル２と第２のコイル３の直列接続による合成インダクタンスを２．５ｍＨ程度にすることによって、約２５０Ｗ入力時の電源高調波を規制値以下に抑制することが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態２は実施の形態１における第１の開閉手段４と第２の開閉手段８をともにオン状態とする期間を設けたものである。

実施の形態１の第１の開閉手段４および第２の開閉手段８は、一般にリレーで構成されるものであり、オン・オフの切替時には遅延やバウンスが生じる。

しかるに本実施の形態２では、第１の動作モードおよび第２の動作モード間のモード移行の際には、第１の開閉手段４と第２の開閉手段８をともにオン状態とする期間を設けたことによって、電流経路が切断されることを防止し、滑らかに動作モード間の移行を可能にしている。

以上のように、本発明の電源装置は、第１の動作モードおよび第２の動作モードの２つの動作モードを有するが、その選択にあたっては、中〜重負荷条件において、第１の動作モードが、所定の負荷条件よりも軽負荷の状態においてのみ第２の動作モードが選択される。さらに、負荷条件の判定については、入力電流や出力電流を検出し、その電流値の大きさによって判別してもよいし、モータ負荷の場合にはモータの回転数等で判別しても構わない。

また、同一コアにて構成された第１のコイルの巻き数は第２のコイルの巻き数より少なくてよいので、従来の電源装置に比べて小型・軽量で、かつ低コスト化が実現できる。

一般に、特許文献１に示されるような従来の構成の電源装置に用いられるリアクトル（チョークコイル）には、センダストやフェライト等の高周波系のコア材料が用いられるが、これらのコア材料は、飽和磁束密度、サイズ等の制約から、空気調和機など最大電流定格の大きな機器向けの電源装置では、数百μＨ程度のインダクタンス値にて設計されることが一般的である。

一方、スイッチング手段９をオフに制御した状態で、電源高調波を規制値以下に抑制するためには、リアクトルのインダクタンス値を約１ｍＨ以上とする必要があり、従来の電源装置では、非常に大きなリアクトルが必要となってしまう。

しかしながら、本発明の電源装置は、軽負荷時にスイッチング手段９をオフして高調波規制を満足するのに十分な大きさのインダクタンス値をもつリアクトルを、同一コアにて構成された第１のコイル２および第２のコイル３にて実現できることから、従来の電源装置に比べて小型・軽量にて得ることができ、低コストにて高効率な電源装置を得ることが可能となる。

なお、本各実施の形態において、スイッチング手段９の位置は、図１に示すように、第２の開閉手段８よりも負荷側としたが、第２の開閉手段８よりも交流電源１側に配置してももちろん構わない。

また、スイッチング手段９についても、双方向性スイッチによる構成とする代わりに、特開２００１−２３８４５２号公報に示される電源装置のように、図７に示すような、ダイオード５ｅおよび５ｆにそれぞれ逆並列接続された２個のスイッチング手段９ａ、９ｂにて構成し、第１の動作モードにおいて、交流電源１の半周期毎に交互にスイッチング動作させ、第２の動作モードにおいて、双方のスイッチング手段９ａ，９ｂをオフに制御しても同様の効果が得られることは言うまでもない。

また、本各実施の形態において、整流回路は、全波整流回路としたが、図８に示すように、倍電圧整流回路にて構成しても同様の効果が得られる。

さらに、本発明の電源装置は、負荷の大きさに応じて第１の開閉手段４と第２の開閉手段８の切り替えを行なうことで、特に軽負荷時に高効率な電源装置を得ることができることから、比較的軽負荷で動作する頻度の高い空気調和機の高効率化が可能となる。

以上のように、本発明にかかる電源装置は、小型・軽量な構成にて、電源高調波の抑制と力率改善の機能を有し、特に軽負荷時に高効率な電源装置を得ることができるため、比較的軽負荷で動作する頻度の高い、空気調和機や冷蔵庫をはじめ、洗濯機などの電化製品の電源装置として適用できる。

本発明の実施の形態１における電源装置の主回路の構成図 （ａ）同主回路に用いるスイッチング手段９の構成例を示す図（ｂ）同主回路に用いるスイッチング手段９の構成例を示す図（ｃ）同主回路に用いるスイッチング手段９の構成例を示す図 同実施の形態１における電源装置の構成図 同実施の形態１における電源装置の第１の動作モード時における主回路の等価回路図 同実施の形態１における電源装置の第２の動作モード時における主回路の等価回路図 （ａ）交流電源１の電圧波形を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１における電源装置の第２の動作モードにおける入力電流波形の例を示す図（ｃ）本発明の実施の形態１における電源装置の第２の動作モードにおける電源高調波スペクトルの例を示す図 本発明の実施の形態１における電源装置の別の主回路を示す構成図 同実施の形態１における電源装置のさらなる別の主回路を示す構成図 従来の電源装置の構成図 （ａ）交流電源１の電圧波形を示す図（ｂ）従来の電源装置における入力電流波形を示す図 従来の電源装置の別の構成を示す構成図

符号の説明

１ 交流電源
２ 第１のコイル
３ 第２のコイル
４ 第１の開閉手段
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ ダイオード
６ コンデンサ
７ 負荷
８ 第２の開閉手段
９ スイッチング手段
１０ 電流検出手段
１１ａ、１１ｂ 抵抗
１２ 駆動制御回路
１３ 制御部

Claims (7)

1. 交流電源と、互いに巻き数が異なり、かつ共通のコアにコモンモード接続となる方向に巻かれ、並列接続された第１のコイル、第２のコイルを備えた複数のコイルと、前記複数のコイルを介してブリッジ接続されたダイオードにより整流し、コンデンサにより出力を平滑する電源装置であって、前記複数のコイルを単独あるいは並列接続に切り替える第１の開閉手段がダイオード対の中点に接続され、第１のコイルが第２の開閉手段を介して異なるダイオード対の中点に接続され、前記複数のコイルを介して前記交流電源を短絡せしめるスイッチング手段を有する電源装置。
2. 第１のコイルの巻き数は第２のコイルの巻き数より少なくしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 第２の開閉手段の両端間にＰＴＣを接続した請求項１または２に記載の電源装置。
4. 第１の開閉手段及び第２の開閉手段は、電源装置の入力、出力、またはそれらに対応する電源装置の負荷状態に応じて開閉状態が切り替えられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源装置。
5. 第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段は、相補的に制御され、それらの切り替え時の一定時間、前記第１の開閉手段及び前記第２の開閉手段を全て閉とすることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. スイッチング手段をオン・オフ動作させる第１の動作モードと、複数のコイルのうち第２のコイルのみに電流が流れ、前記スイッチング手段を常にオフとする第２の動作モードとを備え、第２の動作モードは、第１の動作モードよりも軽負荷となる条件で選択されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源装置を備えた空気調和機。

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