JP2010136492A - 電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】雑音端子電圧のレベルが低く小型の電源装置を提供する。
【解決手段】この電源装置は、アクティブフィルタ10の入力電流Iin、入力電圧Vin、および出力電圧Voを検出し、入力電流Iinの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させ、入力電流Iinと入力電圧Vinの位相が一致し、かつアクティブフィルタの出力電圧Voが目標電圧Vtに一致するようにIGBT13をオン/オフ制御するマイクロコンピュータ18を備える。したがって、入力電流Iinの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させるので、雑音端子電圧のレベルを低く抑制できる。
【選択図】図1
【解決手段】この電源装置は、アクティブフィルタ10の入力電流Iin、入力電圧Vin、および出力電圧Voを検出し、入力電流Iinの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させ、入力電流Iinと入力電圧Vinの位相が一致し、かつアクティブフィルタの出力電圧Voが目標電圧Vtに一致するようにIGBT13をオン/オフ制御するマイクロコンピュータ18を備える。したがって、入力電流Iinの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させるので、雑音端子電圧のレベルを低く抑制できる。
【選択図】図1
Description
この発明は電源装置に関し、特に、アクティブフィルタを備えた電源装置に関する。
従来、空気調和機や冷蔵庫などの電源装置では、商用電源からの交流電圧をダイオードブリッジのような整流回路で整流し、コンデンサのような平滑回路で平滑化して直流電圧を生成し、その直流電圧をインバータで交流電圧に変換して交流モータに供給していた。
このような電源装置の力率の向上、電源高調波電流の低減化を図る方法として、整流回路と平滑回路の間にアクティブフィルタを設け、入力電流と入力電圧の波形および位相を一致させる方法がある(たとえば、特許文献1,2参照)。
また、アクティブフィルタを用いた電源装置では、入力交流電圧が低い場合に電力損失が大きくなるという課題があるが、これを解決する方法として、アクティブフィルタの入力電圧と出力電圧の差を一定にする方法がある(たとえば、特許文献3参照)。
また、アクティブフィルタを用いた電源装置では、スイッチング素子を高周波でスイッチングするため、スイッチング素子の温度上昇による破壊の危険性が高い。そのため、スイッチング素子の温度を検出し、温度が高い場合には目標電圧を下げる方法がある(たとえば、特許文献4参照)。
特開平8−33392号公報
特開平8−182329号公報
特開2006−20402号公報
特開平9−70178号公報
しかし、特許文献1,2の問題点を解決した特許文献3でも、アクティブフィルタ以外の力率改善回路(PAM制御回路など)に比べてスイッチング周波数が高いので、雑音端子電圧のレベルが高いという問題があった。
また、特許文献4では、スイッチング素子の温度上昇に応じて目標電圧を下げるので、スイッチング素子の温度が高い場合には雑音端子電圧レベルが抑制されるとも考えられるが、スイッチング素子の温度が低い場合には雑音端子電圧が高いという問題がある。
また、特許文献1〜4に開示されている技術だけでは、これら問題を解決するには、さらなるハードウェア構成の追加などが必要となり、装置が大型化する。
それゆえに、この発明の主たる目的は、雑音端子電圧のレベルが低く小型の電源装置を提供することである。
この発明に係る電源装置は、第1の交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の次段に設けられたアクティブフィルタと、アクティブフィルタの出力電圧を平滑化して直流電圧を生成する平滑回路と、直流電圧を第2の交流電圧に変換するインバータとを備えたものである。アクティブフィルタは、一方端子が整流回路の出力電圧を受けるリアクトルと、アノードがリアクトルの他方端子に接続され、カソードが平滑回路に接続されたダイオードと、リアクトルの他方端子と基準電圧のラインとの間に接続されたスイッチング素子とを含む。この電源装置は、さらに、アクティブフィルタの入力電流、入力電圧、および出力電圧を検出し、入力電流に基づいて目標電圧を生成し、入力電流と入力電圧の位相が一致し、かつアクティブフィルタの出力電圧が目標電圧に一致するようにスイッチング素子をオン/オフ制御するマイクロコンピュータを備える。
好ましくは、マイクロコンピュータは、入力電流が増大したことに応じて目標電圧を低下させる。
また好ましくは、さらに、スイッチング素子の温度を検出する温度センサを備え、マイクロコンピュータは、温度センサの検出温度と入力電流とに基づいて目標電圧を生成する。
また好ましくは、マイクロコンピュータは、入力電流が増大したことに応じて目標電圧を低下させるとともに、温度センサの検出温度が上昇したことに応じて目標電圧を低下させる。
この発明に係る電源装置では、アクティブフィルタの入力電流、入力電圧、および出力電圧を検出し、入力電流に基づいて目標電圧を生成し、入力電流と入力電圧の位相が一致し、かつ出力電圧が目標電圧に一致するようにスイッチング素子をオン/オフ制御するマイクロコンピュータが設けられる。したがって、たとえば入力電流が増加したことに応じて目標電圧を低下させることにより、雑音端子電圧のレベルを低くすることができる。また、アクティブフィルタの制御をマイクロコンピュータで行なうので、装置寸法の小型化を図ることができる。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による電源装置の構成を示すブロック図である。図1において、この電源装置は、整流回路2、分圧抵抗器7,15、電流検出抵抗器8、アンプ9、アクティブフィルタ10、平滑コンデンサ14、インバータ16、およびマイクロコンピュータ18を備える。
図1は、この発明の実施の形態1による電源装置の構成を示すブロック図である。図1において、この電源装置は、整流回路2、分圧抵抗器7,15、電流検出抵抗器8、アンプ9、アクティブフィルタ10、平滑コンデンサ14、インバータ16、およびマイクロコンピュータ18を備える。
整流回路2は、ブリッジ接続された4つのダイオード3〜6を含み、交流電源1からの交流電圧を全波整流する。交流電圧は、ダイオード3,4のアノード間に与えられる。ダイオード3,4のカソードはともに正側出力ノード2aに接続され、ダイオード5,6のカソードはそれぞれダイオード3,4のアノードに接続され、ダイオード5,6のアノードはともに負側出力ノード2bに接続される。
分圧抵抗器7は、整流回路2の正側出力ノード2aと基準電圧のラインとの間に接続され、整流回路2の出力電圧すなわちアクティブフィルタ10の入力電圧Vinを分圧し、入力電圧Vinを示す信号を生成してマイクロコンピュータ18に与える。
電流検出抵抗器8は、インバータ16の負側入力ノード16bと整流回路2の負側出力ノード2bとの間に接続され、アクティブフィルタ10の入力電流Iinを示す信号を出力する。アンプ9は、電流検出抵抗器8の出力信号を増幅してマイクロコンピュータ18に与える。インバータ16の負側入力ノード16bは基準電圧のラインに接続される。
アクティブフィルタ10は、リアクトル11、ダイオード12、およびIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)13を含む。リアクトル11の一方端子は整流回路2の正側出力ノード2aに接続される。ダイオード12のアノードはリアクトル11の他方端子に接続され、そのカソードはインバータ16の正側入力ノード16aに接続される。IGBT13のコレクタはリアクトル11の他方端子に接続され、そのエミッタは基準電圧のラインに接続され、そのゲートはマイクロコンピュータ18からの制御信号φCを受ける。
平滑コンデンサ14の正極はダイオード12のカソードに接続され、その負極は基準電圧のラインに接続される。平滑コンデンサ14は、アクティブフィルタ10の出力電圧Voを平滑化して直流電圧を生成する。分圧抵抗器15は、平滑コンデンサ14に並列接続され、アクティブフィルタ10の出力電圧Voを分圧し、出力電圧Voを示す信号を生成してマイクロコンピュータ18に与える。インバータ16は、アクティブフィルタ10の出力電圧Voを3相交流電圧に変換し、その3相交流電圧を交流モータ17に与える。
マイクロコンピュータ18は、インバータ16からの直流電流信号やモータ17からのモータ位置信号に基づいて、インバータ16を制御する。また、マイクロコンピュータ18は、入力電圧Vin、入力電流Iin、および出力電圧Voに基づいてIGBT13をオン/オフ制御し、入力電圧Vinと入力電流Iinの波形および位相を一致させて力率を1に近付けるとともに、出力電圧Voを目標電圧Vtに一致させる。また、マイクロコンピュータ18は、入力電流Iinが増大したことに応じて目標電圧Vtを低下させる。
すなわち、マイクロコンピュータ18は、電圧検出部20,22、電流検出部21、目標電圧設定部23、および信号生成部24を含む。電圧検出部20は、分圧抵抗器7の出力信号に基づいて、アクティブフィルタ10の入力電圧Vinの波形、位相、振幅などを示すデジタル信号を発生する。電流検出部21は、アンプ9の出力信号に基づいて、アクティブフィルタ10の入力電流Iinの波形、位相、振幅などを示すデジタル信号を発生する。電圧検出部22は、分圧抵抗器15の出力信号に基づいて、アクティブフィルタ10の出力電圧Voのレベルを示すデジタル信号を発生する。
目標電圧設定部23は、電圧検出部20および電流検出部21の出力信号に基づいて目標電圧Vtを生成する。目標電圧Vtは、アクティブフィルタ10の入力電流Iinが増大するに従って低下する。信号生成部24は、入力電圧Vin、入力電流Iin、および出力電圧Voに基づいて制御信号φCを生成し、IGBT13をオン/オフ制御し、入力電圧Vinと入力電流Iinの波形および位相を一致させて力率を1に近付けるとともに、出力電圧Voを目標電圧Vtに一致させる。
詳しく説明すると、制御信号φCは、入力電圧Vin、入力電流Iin、および出力電圧Voの関数であり、φC=x(Vin,Iin,Vo)である。また、出力電圧Voは、目標電圧Vt、出力電圧Vo、および入力電圧Vinの関数であり、Vo=y(Vt,Vo,Vin)である。入力電圧Vinと出力電圧Voは一定の関係になるように制御される。また、入力電圧Vinが下がっても電力損失が変化しないように、入力電流Iinの増大に伴って目標電圧Vtが下げられる。
制御信号φCによるIGBT13のオン/オフの周期は、マイクロコンピュータ18に記憶された任意の設定値によって決定される。たとえば、データの書換えが可能なフラッシュメモリを用いて任意の設定値を記憶することにより、任意の設定値を変更することが可能となる。騒音や雑音端子電圧の問題から、一般的にアクティブフィルタ10のスイッチング周期は15kHz〜20kHzに設定される。
また、この制御信号φCは、図2に示すような入力電圧Vacに基づいてマイクロコンピュータ18によって生成されるゼロクロス検知信号φZCをトリガとして制御信号φCを生成している。電圧Vacは、正弦波形の交流電圧を全波整流したものである。マイクロコンピュータ18は、入力電圧Vacをサンプリングし、入力電圧Vacが予め設定されているしきい値電圧Vth以下になったときにゼロクロス検知信号φZCを「H」レベルに立ち上げ(時刻t0,t2,t4)、入力電圧Vacがしきい値電圧Vth以上になったときにゼロクロス検知信号φZCを「L」レベルに立ち下げ(時刻t1,t3,t5)、ゼロクロス検知信号φZCをソフトウェア的に生成する。
なお、抵抗素子、ダイオード、およびフォトカプラを組み合わせた回路や、コンパレータなどのハードウェアを用いてゼロクロス検知信号φZCを生成し、その信号φZCをマイクロコンピュータ18に入力し、制御信号φCの出力トリガとしてもよい。
また、マイクロコンピュータ18は、入力電流Iinに応じて目標電圧Vtを調整する。消費電流が大きいほど雑音端子電圧が大きくなるので、位相を合わせるために検出している入力電流Iinを、目標電圧Vtを調整する変数としても使用する。入力電流Iinの増大に応じて目標電圧Vtを下げることで、雑音端子電圧のレベルを下げる。
図3(a)〜(d)は、入力電流Iinと目標電圧Vtの関係を例示する図である。たとえば図3(a)に示すように、入力電流Iinがしきい値電流を超えたことに応じて目標電圧Vtを下げる。この場合は、入力電流Iinが略しきい値電流になったときに目標電圧Vtがハンチング現象を起こさないように、コンパレータにヒステリシス特性を持たせたり、所定のマスク時間だけ目標電圧Vtの切換を禁止するとよい。
また、図3(b)に示すように、入力電流Iinのレベル上昇に比例して目標電圧Vtを低下させたり、図3(c)に示すように、入力電流Iinのレベル上昇に応じて目標電圧Vtを段階的に低下させたり、図3(d)に示すように、入力電流Iinのレベルが上昇するほどに目標電圧Vtの低下率を大きくし、目標電圧Vtを2次関数的に低下させてもよい。また、図3(b)に示すような線形関係に上限補償や下限補償を設け、図3(a)(b)を組み合わせたような制御方法を採用してもよい。
ここで、たとえば空気調和機や冷蔵庫などのコンプレッサを駆動する場合、コンプレッサの回転数が高速になると、入力電流Iinが大きくなってリアクトル11での電圧降下が大きくなり、出力電圧Voのレベルが低下する。したがって、入力電流Iinが大きくなるほど目標電圧Vtを下げることができる。ただし、出力電圧Voがインバータ16の制御限界以下の出力電圧にならないようにする必要がある。制御限界の出力電圧とは、任意のコンプレッサ回転数まで上昇可能な最低直流電圧のことである。
PWM(Pulse Width Modulation)制御などでコンプレッサを駆動する場合、出力のPWMデュティが100%に到達するとそれ以上回転数を上昇させることができなくなり、さらにコンプレッサの回転数を上昇させるためには出力の直流電圧を上昇させる必要がある。この限界出力電圧はコンプレッサの回転数やコンプレッサ内部のモータ負荷トルクなどによって変化するが、たとえば通常制御時の目標出力電圧とは別に、回転数に比例した任意の最低出力電圧値をマイクロコンピュータに設定しておき、その値以下にならないように制御する方法などがある。
目標電圧Vtの設定方法としては、アクティブフィルタ10による昇圧が無い場合の出力電圧Voを実験的に求め、同様に電流位相を電圧位相に合わせる分の昇圧電圧値X(V)を実験的に求め、その出力電圧VoにX(V)程度を加えた目標電圧Vtを予めマイクロコンピュータ18に記憶させておき、制御を行なう方法や、入力電流Iinと入力電圧Vinのバランスを検出することによって自動的に制御を行なう方法もある。このバランスが「1」の場合、力率はほぼ「1」となる。
また、力率を検出しながら目標電圧Vtを設定する方法について説明する。この方法では、目標電圧Vtが低過ぎる場合は制御信号φCのデュティ比が小さ過ぎるため、図4に示すように、入力電流Iinの波形が入力電圧Vinの波形に比べて乱れることに着目したものである。入力電流Iinの波形の左右バランスがくずれるまで目標電圧Vtを下げ、そのときの目標電圧Vtにある程度の余裕度を持たせるための電圧値Y(V)を加算した電圧値を目標電圧とする。
入力電流Iinの波形のバランス検出は、入力電流Iinおよび入力電圧Vinをサンプリングし、入力電圧Vinのピーク値Vpを中心として入力電流Iinの波形を2分割する。そして、入力電流Iinの前半部分の積分値をAとし、後半部分の積分値をBとし、たとえばA/BまたはB/Aが設定されたしきい値バランス(たとえば、0.99)以下になるまで目標電圧Vtを下げて行き、そのときの入力電圧VinにY(V)を加算した電圧を目標電圧Vtの初期値Viniとする。
この実施の形態1では、マイクロコンピュータ18の内部において、電圧レベルの比較やIGBT13の駆動信号の生成などを行なう。すなわち、入力電圧Vin、入力電流Iin、および出力電圧Voを検出し、入力電圧Vinと入力電流Iinの位相を合わせる、と言った基本動作をマイクロコンピュータ18によって行なうので、ハードウェア構成を減らしながら力率の向上、および高調波電流の抑制を行なうことができる。
また、従来は入力電圧Vinと同相にするためだけに用いられていた入力電流Iinの検出値を利用して目標電圧Vtの補正を行なうので、さらなる入力情報を追加することなく雑音端子電圧レベルの低減化が可能となる。
[実施の形態2]
図5は、この発明の実施の形態2による電源装置の構成を示すブロック図であって、図1と対比される図である。図5において、この電源装置が図1の電源装置と異なる点は、IGBT13の近傍に温度センサ30が設けられ、マイクロコンピュータ18に温度検出部31が設けられている点である。
図5は、この発明の実施の形態2による電源装置の構成を示すブロック図であって、図1と対比される図である。図5において、この電源装置が図1の電源装置と異なる点は、IGBT13の近傍に温度センサ30が設けられ、マイクロコンピュータ18に温度検出部31が設けられている点である。
温度センサ30は、IGBT13の温度Taを検出し、検出した温度に応じたレベルの信号を出力する。温度検出部31は、温度センサ30の出力信号に基づいて、IGBT13の温度Taを示すデジタル信号を生成し、その信号を目標電圧設定部23に与える。目標電圧設定部23は、入力電流Iinの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させるとともに、IGBT13の温度Taの上昇に応じて目標電圧Vtを低下させる。
なお、温度センサ30をIGBT13の近傍に設けてIGBT13の温度Taを直接検出してもよいし、IGBT13の熱を放散するための放熱板に温度センサ30を設けてIGBT13の温度Taを間接的に検出してもよい。
IGBT13の温度は、入力電流Iinが大きく、IGBT13に流れる電流が大きいほど上昇する。IGBT13の温度上昇を抑えることができれば、入力電流Iinに基づく目標電圧Vtの制御と合わせることで、雑音端子電圧レベルを減少させながらIGBT13の高温破壊の危険性が低減し、安全性が増す。また、安価なIGBT13を採用することが可能となり、コストダウンにもつながる。
図6(a)〜(d)は、IGBT13の温度Taと目標電圧Vtの関係を例示する図である。たとえば図6(a)に示すように、温度Taがしきい値温度を超えたことに応じて目標電圧VtをZ(V)だけ下げる。また、図6(b)に示すように、温度Taのレベル上昇に比例して目標電圧Vtを低下させたり、図6(c)に示すように、入力電流Iinのレベル上昇に応じて目標電圧Vtを段階的に低下させてもよい。図6(c)の場合、温度が高くなる程、目標電圧Vtの低下量を高くするとよい。さらに図6(d)に示すように、温度Taが上昇するほどに目標電圧Vtの低下率を大きくし、目標電圧Vtを2次関数的に低下させてもよい。また、図6(b)に示すような線形関係に上限補償や下限補償を設け、図6(a)(b)を組み合わせたような制御方法を採用してもよい。
なお、IGBT13の温度Taに基づいて目標電圧Vtを調整する場合は、力率を保持するよりもIGBT13の安全性を守る方が重要であるので、実施の形態1で述べたような入力電流Iinのバランス値に基づいた制御は行なわない。
図7は、マイクロコンピュータ18の動作を示すフローチャートである。図7の方法では、入力電流Iinがしきい値電流Ithを超えた場合は目標電圧Vtを下げ、入力電流Iinのバランス値A/Bが設定値PFよりも小さくなった場合は目標電圧VtにY(V)だけ加算し、IGBT13の温度Taがしきい値温度Tthを超えた場合は目標電圧Vtを下げる。
すなわち、マイクロコンピュータ18は、電源装置の駆動中は常に入力電流Iinを監視しており、ステップS1において入力電流Iinがしきい値電流Ithを超えたか否かを判定する。Iin>Ithである場合はステップS2において電流フラグをセットしてステップS4に進み、Iin>Ithでない場合はステップS3において電流フラグをクリアしてステップS7に進む。
ステップS4において、入力電流Iinのバランス値A/Bが設定値PFを超えたか否かを判定する。入力電流Iinの積分値A,Bは、マイクロコンピュータ18内に保存されている。積分値A,Bとしては、最新の値のみを使用してもよいし、複数の積分値A,Bの平均値を用いてもよい。
A/B>PFである場合は、ステップS5において現在の目標電圧Vtから予め定められた電圧V_1を減算した電圧Vt−V_1を新たな目標電圧VtとしてステップS7に進む。A/B>PFでない場合は、ステップS6において現在の目標電圧Vtに予め定められた電圧V_2を加算した電圧Vt+V_2を新たな目標電圧VtとしてステップS7に進む。このときV_1とV_2は同じ値でもかまわない。
ステップS5またはS6を行なった後は、必ずステップS7を行なう。ステップS7では、IGBT13の温度Taがしきい値温度Tthを超えたか否かを判定する。Ta>Tthである場合はステップS8において温度フラグをセットしてステップS10に進み、Ta>Tthでない場合はステップS9において温度フラグをクリアしてステップS11に進む。ステップS10では、現在の目標電圧Vtから予め定められた電圧V_3を減算した電圧Vt−V_3を新たな目標電圧VtとしてステップS11に進む。
ステップS11では、電流フラグと温度フラグの両方がクリアされているか否かを判定し、2つのフラグが両方ともクリアされている場合はステップS12で目標電圧Vtを初期値Viniにリセットし、2つのフラグのうちの少なくとも一方がセットされている場合はステップS1に戻る。
この実施の形態2では、アクティブフィルタ10の元来の使用目的である力率の改善や高調波電流の抑制に加え、雑音端子電圧レベルの抑制やIGBT13の温度上昇の抑制が同時に実現される。
また、元来のアクティブフィルタ10で、電圧レベルの比較やIGBT13の駆動信号の生成など外付け回路によって実現していた機能をマイクロコンピュータ18によって実現するとともに、従来から既に使用されていることが多いIGBT13の温度Taや入力電流Iinを用いて目標電圧Vtを調整するので、新たな回路などを追加する必要がない。逆に、部品点数の削減や基板面積の縮小が可能となるので、コストダウンにもつながる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 交流電源、2 整流回路、2a 正側出力ノード、2b 負側出力ノード、3〜6 ダイオード、7,15 分圧抵抗器、8 電流検出抵抗器、9 アンプ、10 アクティブフィルタ、11 リアクトル、12 ダイオード、13 温度センサ、14 平滑コンデンサ、16 インバータ、16a 正側入力ノード、16b 負側入力ノード、17 交流モータ、18 マイクロコンピュータ、20,22 電圧検出部、21 電流検出部、23 目標電圧設定部、24 信号生成部、30 温度センサ、31 温度検出部。
Claims (4)
- 第1の交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の次段に設けられたアクティブフィルタと、
前記アクティブフィルタの出力電圧を平滑化して直流電圧を生成する平滑回路と、
前記直流電圧を第2の交流電圧に変換するインバータとを備え、
前記アクティブフィルタは、
一方端子が前記整流回路の出力電圧を受けるリアクトルと、
アノードが前記リアクトルの他方端子に接続され、カソードが前記平滑回路に接続されたダイオードと、
前記リアクトルの他方端子と基準電圧のラインとの間に接続されたスイッチング素子とを含み、
さらに、前記アクティブフィルタの入力電流、入力電圧、および出力電圧を検出し、前記入力電流に基づいて目標電圧を生成し、前記入力電流と前記入力電圧の位相が一致し、かつ前記アクティブフィルタの出力電圧が前記目標電圧に一致するように前記スイッチング素子をオン/オフ制御するマイクロコンピュータを備える、電源装置。 - 前記マイクロコンピュータは、前記入力電流が増大したことに応じて前記目標電圧を低下させる、請求項1に記載の電源装置。
- さらに、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサを備え、
前記マイクロコンピュータは、前記温度センサの検出温度と前記入力電流とに基づいて前記目標電圧を生成する、請求項1に記載の電源装置。 - 前記マイクロコンピュータは、前記入力電流が増大したことに応じて前記目標電圧を低下させるとともに、前記温度センサの検出温度が上昇したことに応じて前記目標電圧を低下させる、請求項3に記載の電源装置。
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