JP2010041910A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】交流を直流に変換するコンバータと、このコンバータが変換した直流を昇圧して出力するn個(nは、自然数)の従属接続された昇圧チョッパを有する昇圧チョッパ群と、この昇圧チョッパ群により昇圧された直流を交流に変換するインバータと前記コンバータと前記昇圧チョッパ群との接続点に設けられて、該コンバータが出力した直流に含まれるリプルを所定レベル以下に低減する平滑コンデンサと、前記n個の各昇圧チョッパにそれぞれ入力される直流を該昇圧チョッパをバイパスして前記インバータの入力として与えるn個のバイパスダイオードを備える。
【選択図】図1
Description
このように構成された電源装置の機能は、次のとおりである。
(1)交流入力を所望の電圧の直流出力に変換し、かつ入力電圧や負荷電流の変動にかかわらず一定の出力電圧を維持する。
(2)交流入力側と直流出力側とを絶縁する。
(3)交流入力電流をほぼ力率[1]の正弦波とする。
(4)商用交流電源の数ms〜数サイクル程度の期間における電圧低下、いわゆる瞬時電圧低下(以下、瞬低と称する)においても所定の出力電圧を確保すること(以下、この機能を瞬低補償と称する)。
電源装置に入力される商用交流の入力電圧Vinの波形は、正弦波状に変化する。この入力電圧Vinは、整流用ダイオードD1〜D4により構成された第1のダイオードブリッジによって整流され、その整流電圧Vr1の整流波形は、図示したような全波整流波形となる。
ここで、例えば入力電圧Vinが正極性の場合(第1の接続点aが正)、MOSFET(Q1)をオンすると、交流電源1→整流用ダイオードD1→リアクトルL1→MOSFET(Q1)→整流用ダイオードD4→交流電源1の経路で電流が流れ、交流電源1の電圧がリアクトルL1の両端に印加され、電流ILが増加する。次いでMOSFET(Q1)をオフすると交流電源1→整流用ダイオードD1→リアクトルL1→逆流防止用ダイオードD5→平滑コンデンサC1→整流用ダイオードD4→交流電源1の経路で電流が流れる。このときリアクトルL1には平滑コンデンサC1両端の直流電圧Ed1と交流電源1両端の入力電圧Vinとの差電圧が加わるが、回路の動作により直流電圧Ed1は、入力電圧Vinのピーク値より高く保たれている。このためリアクトルL1を流れる電流ILは、減少する。
この電源装置は、MOSFET(Q1)のオンとオフの時比率を制御することにより、電流ILの波形と大きさを任意に制御することが可能である。電流ILを図11に示したような正弦波整流波形(簡単化のためリプル分は無視している)とすれば、入力電流Iinは正弦波状の波形となる。またこの電源装置は、負荷電力に応じて電流ILの振幅を制御することで直流電圧Ed1を一定に保つことができる。
概略的には上述したように構成された電源装置において瞬低が発生した場合には入力電力の供給が断たれるので直流電圧Ed1が低下する。しかしこの電源装置は、ある範囲内であればMOSFET(Q2,Q5)またはMOSFET(Q3,Q4)をオンする時比率を大きくすることによって変圧器の一次電圧Vtの平均値を一定に保ち、出力電圧を維持することができる。
直流電圧Ed1がある程度低下しても安定した直流出力電圧を維持するためには、変圧器Tの変圧比(ここではn:1のnの値)を本来の最適値より小さくする必要がある。例えば通常時の直流電圧Ed1が上記動作により400V一定に保たれており、直流出力電圧Voutが10Vであるならば、インバータを最大時比率で運転するために必要な変圧器Tの変圧比は[400:10]、すなわち変圧比nは[40]となる(ここでは簡単化のため回路内の電圧降下は無視する)。
(1)変圧器Tの一次巻線に流れる電流の振幅は平滑リアクトルL2に流れる電流の[1/n]であるが、変圧比nが小さくなるにつれてこの電流値が大きくなる。このためインバータを構成するMOSFET(Q2〜Q5)および変圧器Tの一次巻線で発生する損失が増大する。
(2)整流コンバータから出力される整流電圧Vr2は、およそ[Ed1/n]であるが、変圧比nが小さくなることで、通常時に整流コンバータを構成する整流用ダイオードD6〜D9に印加される電圧が高くなる。このため整流用ダイオードD6〜D9には、より耐圧の高い部品を用いる必要があるが一般に半導体素子における同一条件での損失は耐圧が高くなるほど大きくなる傾向がある。
(3)整流電圧Vr2の電圧が印加されない期間が長くなるので、これを平滑するために必要な平滑リアクトルL2のインダクタンス値を大きくする必要がある。例えば図12において瞬低補償なしの場合、整流電圧Vr2が[0V]まで低下する期間は、変圧器Tの一次電圧Vtの極性切換え時におけるわずかな時間であるものの、瞬低補償ありの場合、通常時では全体の約1/2の期間は電圧が印加されず、この期間は平滑リアクトルL2に蓄えられたエネルギーを負荷RLに供給する必要がある。しかし平滑リアクトルL2を大形化することは、電源装置が大きくなるだけでなく、平滑リアクトルL2における損失も増加するという新たな問題が生ずる。
あるいは図14に示すように上述した図10の電源装置における平滑コンデンサC1と並列に充放電可能な二次電池BATを接続し、交流電源1からの電力供給が断たれても電圧Ed2をほぼ一定に保ちつつ、二次電池BATに蓄えた電力を負荷RLに供給する無停電電源装置もある。
(1)昇圧チョッパにおける損失が生ずる。
これは図13に示す回路においてMOSFET(Q6)がオン/オフ動作をしている場合はもちろん、第1の平滑コンデンサC1両端の直流電圧Ed1が十分高く、MOSFET(Q6)が停止している場合においてもリアクトルL3の巻線抵抗成分およびダイオードD10の順電圧降下による損失が生ずる。このためインバータ以降の回路損失を抑制した分が相殺されてしまう。更にリアクトルL3には常時電流が流れるため、昇圧動作する時間が極めて短いにも関わらず、電流容量の大きなものが必要となる。
(2)第3の平滑コンデンサC3は、インバータが発生するリプル電流を吸収するため、大きな静電容量を有する必要がある。
本発明は、このような問題を解決するべくなされたもので、その目的とするところは、瞬低補償あるいは停電中の電力供給(停電補償)機能を有することに起因した損失の増加を最低限にしつつ、高効率化および小形化が実現可能な電源装置を提供しようとするものである。
上述の電源装置は、昇圧チョッパ群が非稼動のとき、昇圧チョッパ群が有するスイッチング素子およびリアクトルを介すことなく前記バイパスダイオードによって各昇圧チョッパに入力される直流をバイパスして後段のインバータに与えることができる。このため通常時は、インバータのリプル電流もバイパスダイオードを介して担うことができる。また昇圧チョッパが有するリアクトルは、交流入力電圧の瞬低期間中における昇圧チョッパの電流に耐えればよいので、短時間定格対応の細い巻線を用いたリアクトルを用いることが可能となるほか、昇圧チョッパが有するスイッチング素子およびリアクトルには電流が流れないため損失を低減することができる。
上述の電源装置において昇圧チョッパの入力側および出力側にそれぞれ備える平滑コンデンサは、前記バイパスダイオードによって並列に接続されるが、さらにリプル電流の影響等により前記バイパスダイオードが一瞬オフすることがあってもバイパスダイオードと並列に接続されたコンデンサによって交流的に短絡されて、二つの平滑コンデンサが並列に接続されるため大きな静電容量が得られ、それゆえ効果的にリプルを除去することができる。このため電源装置の体積を抑えることができ、電源装置の小形化が図れる。
上述の電源装置は、インバータのスイッチング動作によって発生するリプルを効果的に除去することができ、それゆえ電源装置から外部に放射されるノイズを低減することができる。
また前記第1のコンバータは、2つのダイオードを直列に接続した直列回路およびオン・オフ制御可能な2つのスイッチング素子を直列に接続した直列回路とを並列に接続して構成されることを特徴としている(請求項6の発明)。
上述の電源装置は、スイッチング素子のオン/オフタイミングを制御することによって交流電源側に設けたリアクトルに電圧を生じさせ、瞬低期間における電圧低下を補償することができる。
あるいは本発明の電源装置は、2つの前記ダイオードが直列に接続された接続点と前記インバータの入力側との間、および2つの前記スイッチング素子が直列に接続された接続点と前記インバータの入力側との間にそれぞれ別のバイパスダイオードが接続されることを特徴としている(請求項9の発明)。
また本発明の電源装置は、更に前記インバータの出力側には変圧器が接続されて、変圧した交流電圧を該変圧器から出力することを特徴としている(請求項10の発明)。
この電源装置は、更に前記変圧器の出力側には該変圧器から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する第2のコンバータ(整流コンバータ)と、この第2のコンバータが出力した直流電圧を平滑する第2の平滑リアクトルとを備え、前記インバータは、その起動時にスイッチング周波数を通常運転時よりも高めて運転し、前記第2の平滑リアクトルに流れるリプル電流を抑制することを特徴としている(請求項11の発明)。
あるいは本発明の電源装置は、二次電池とこの二次電池を充放電する充放電制御部とが直列に接続された直列回路を前記平滑コンデンサと並列に接続してなり、前記充放電制御部は、前記入力される交流電圧が所定の電圧値を超えたとき、前記二次電池を充電して電力を蓄える一方、前記交流電圧が所定の電圧値を下回ったとき、前記二次電池に蓄えた電力を放電して負荷に供給することを特徴としている(請求項12の発明)。
また本発明の請求項11に係る発明によれば、直流平滑リアクトルを最小限の容量とすることができ、装置のさらなる高効率化および小形化を図ることができるという優れた効果を奏し得る。
この第2のバイパスダイオードD21は、第1の平滑リアクトルL1→逆流防止用ダイオードD5→第1の平滑コンデンサC1→第1のバイパスダイオードD20の経路で流れていた電流の一部を、直接第3の平滑コンデンサC3に導くためのものである。このように構成することで本発明の実施例1に係る電源装置は、逆流防止用ダイオードD5および第1のバイパスダイオードD20の2個のダイオードを通過していた電流が第2のバイパスダイオードD21だけを通過することになるため更に損失を低減することができ好ましい。
このように構成した本発明の実施例2に係る電源装置は、並列コンデンサC20を介して第1の平滑コンデンサC1と第3の平滑コンデンサC3とが交流的に接続され、あたかも第1の平滑コンデンサC1と第3の平滑コンデンサC3とが並列に接続されたことと等価と見なすことができる。更にリプル電流の影響等により第1のバイパスダイオードD20が一瞬オフすることがあっても、このバイパスダイオードD20と並列に接続されたコンデンサC20によって第1の平滑コンデンサC1と第3の平滑コンデンサC3とが交流的に短絡される。
ここにスイッチSWは、例えば図7に示すような双方向スイッチを適用すればよい。図7(a)は、2つの半導体スイッチ(例えば、MOSFET(Q30,Q31))を互いの導通方向が逆方向になるように直列に接続したスイッチである。このスイッチは、端子aの電位が端子bの電位より高いとき、MOSFET(Q30)をオンにする。すると電流は、端子a→MOSFET(Q30)→MOSFET(Q31)の寄生ダイオード(D41)→端子bと流れる。逆に端子bの電位が端子aの電位より高いとき、MOSFET(Q31)をオンにすると電流は、端子a→MOSFET(Q31)→MOSFET(Q30)の寄生ダイオード(D40)→端子aと流れる。
また、図7(c)のように4つの整流用ダイオード(D50〜D53)でブリッジ回路を構成し、整流用ダイオードD50,D52の(カソード)接続点とIGBT(Q40)のコレクタと、整流用ダイオードD51,D53の(アノード)接続点とIGBT(Q40)のエミッタとをそれぞれ接続してスイッチを構成し、IGBT(Q40)のオン/オフを制御する。
本実施例における充電回路部10には、二次電池BATに蓄えられた電力を負荷に供給するバイパスダイオードDdが並列に接続されて充放電制御部を構成している。この二次電池BATは、例えば鉛蓄電池、アルカリ蓄電池またはリチウムイオン二次電池あるいは電気二重層コンデンサ等、充放電可能なデバイスが適用される。
そして交流電源1からの電力供給が断たれとき、バッテリBATに蓄えられた電力は、バイパスダイオードDdを介して平滑コンデンサC1に、すなわち直流中間回路に供給される。そして直流中間回路に供給された直流は、上述した昇圧チョッパ回路によって昇圧されて、直流電圧Ed2の値を維持する。
この実施例7に係る電源装置は、図9に示すように負荷として例えば複数の電力変換部(DC/DCコンバータ)20を並列に接続してもかまわない。この電力変換部20は、上述したように四つのMOSFET(Q2〜Q5)で構成されるインバータ、このインバータの出力に接続されて電圧を変圧する変圧器T、この変圧器Tの出力側に接続された四つの整流用ダイオード(D6〜D9)で構成されるブリッジ整流回路(コンバータ)、このコンバータの出力を平滑するリアクトルL2および平滑コンデンサC2からなる平滑回路を備えている。そして平滑コンデンサC2と並列に負荷RLが接続されるようになっている。なお、電力変換部20は、インバータだけ、あるいはインバータと変圧器Tを組み合わせて交流を出力するように構成してもよい。
なお、本発明の電源装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。
C1 平滑コンデンサ
C1,C2,C3 平滑コンデンサ
C20 並列コンデンサ
D1-D4,D6-D9,D40-D43 整流用ダイオード
D5,D10 逆流防止用ダイオード
D20D21,D30,D31 バイパスダイオード
D40,D41 ダイオード
L1,L2 平滑リアクトル
L3,L10 リアクトル
RL 負荷
SW スイッチ
T 変圧器
Claims (12)
- 入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する第1のコンバータと、
この第1のコンバータが出力した直流電圧を昇圧して出力するn個(nは、自然数)の縦続接続された昇圧チョッパを有する昇圧チョッパ群と、
前記昇圧チョッパ群の初段の入力側に設けられて、前記第1のコンバータが出力した直流電圧に含まれるリプルを所定レベル以下に低減する平滑コンデンサと、
前記n個の各昇圧チョッパにそれぞれ入力される直流電圧を該昇圧チョッパをバイパスして昇圧チョッパ群の最終段の出力に与えるn個のバイパスダイオードと
を備えることを特徴とする電源装置。 - 請求項1に記載の電源装置であって、
更に前記昇圧チョッパ群の最終段の出力側に接続されて、該昇圧チョッパ群により昇圧された直流電圧を交流電圧に変換する一つ以上のインバータを備えることを特徴とする電源装置。 - 前記バイパスダイオードは、更に並列に接続された並列コンデンサを備えることを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。
- 前記並列コンデンサは、前記インバータのスイッチング周波数成分に対して十分に低いインピーダンスを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源装置。
- 前記第1のコンバータは、ダイオードとオン・オフ制御可能なスイッチング素子とを直列に接続した直列回路を2組並列に接続して構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電源装置。
- 前記第1のコンバータは、2つのダイオードを直列に接続した直列回路およびオン・オフ制御可能な2つのスイッチング素子を直列に接続した直列回路とを並列に接続して構成されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の電源装置。
- 前記第1のコンバータは、リアクトルを介した交流を入力とすることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電源装置。
- 請求項5に記載の電源装置であって、更に前記ダイオードと前記スイッチング素子が直列に接続された接続点と前記インバータの入力側との間に別のバイパスダイオードが接続されることを特徴とする電源装置。
- 請求項6に記載の電源装置であって、更に2つの前記ダイオードが直列に接続された接続点と前記インバータの入力側との間、および2つの前記スイッチング素子が直列に接続された接続点と前記インバータの入力側との間にそれぞれ別のバイパスダイオードが接続されることを特徴とする電源装置。
- 請求項1〜9のいずれかに記載の電源装置であって、
更に前記インバータの出力側には変圧器が接続されて、変圧した交流電圧を該変圧器から出力することを特徴とする電源装置。 - 請求項10に記載の電源装置であって、
更に前記変圧器の出力側には該変圧器から出力される交流電圧を直流電圧に変換して出力する第2のコンバータと、
この第2のコンバータが出力した直流電圧を平滑する第2の平滑リアクトルと
を備え、
前記インバータは、その起動時にスイッチング周波数を通常運転時よりも高めて運転し、前記第2の平滑リアクトルに流れるリプル電流を抑制することを特徴とする電源装置。 - 請求項1〜11のいずれかに記載の電源装置であって、
二次電池とこの二次電池を充放電する充放電制御部とが直列に接続された直列回路を前記平滑コンデンサと並列に接続してなり、
前記充放電制御部は、前記入力される交流電圧が所定の電圧値を超えたとき、前記二次電池を充電して電力を蓄える一方、
前記交流電圧が所定の電圧値を下回ったとき、前記二次電池に蓄えた電力を放電して負荷に供給すること
を特徴とする電源装置。
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