JP2010246204A - 直流電源装置およびそれを備えた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】高調波電流低減と力率改善を図った直流電源装置において、損失低減と制御部の簡素化を図ること。
【解決手段】４個のダイオード４ａから４ｄと２個のコンデンサ６ａ、６ｂから構成される倍電圧整流回路２３と、倍電圧整流回路２３の入力側に直列接続されるリアクトル２と、平滑用コンデンサ６ｃと、直流電圧検出手段９と、搬送波発振器１１と、目標電圧設定手段１０と、スイッチング素子５ａ、５ｂを逆方向に直列接続し、スイッチング素子５ａ、５ｂのそれぞれに逆導通ダイオード４ｅ、４ｆを並列接続して構成された双方向スイッチ２４と、スイッチ制御駆動手段を備え、双方向スイッチ２４を倍電圧整流回路２３の交流入力端間に接続し、主回路の検出手段としての変圧器や変流器、制御回路の乗算器なども必要とせず、簡単な構成で低損失の高力率コンバータを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流を直流に変換するとともに交流電源に含まれる高調波電流を低減し、力率の改善を図る直流電源装置に関するものである。

従来、数ｋＷ出力程度までの直流電源装置の回路方式としては、入力力率改善と高調波電流低減のため１石の高周波スイッチング方式が主に採用されてきた。

そのような１石の高周波スイッチング方式のうち、最も基本的な従来の直流電源装置の回路ブロックとしては、図４に示すように主回路をブリッジ整流回路１８と、直流リアクトル１５と、スイッチ１９と、逆流防止ダイオード１６と、平滑用コンデンサ６の組み合わせから構成し、そして、直流電圧を所望の電圧に制御しつつ電流検出手段１４で検出した電流が正弦波状となるようスイッチを制御する制御回路１７とから構成されるものがある（例えば、特許文献１の図４参照）。

以下、図５を用いて従来の１石の高周波スイッチング方式直流電源装置の動作について説明する。

図５は、図４で示された制御回路１７をより詳細な構成要素に分けて示したものである。この直流電源装置では、まず、直流電圧検出回路９により直流電圧を検出し、この電圧と、所望の直流電圧の基準値を出力する目標電圧設定回路１０の基準値との差を電圧誤差増幅器１２で増幅する。

次に、目標となる基準電流波形を生成するためにブリッジ整流回路１８の正極出力から全波整流波形検出手段２１で得られる全波整流波形と電圧誤差増幅器１２の出力を乗算器２２で乗算する。この乗算結果が直流リアクトル１５を流れる電流の目標電流波形となる。

そして、電流検出手段１４で検出されたリアクトル電流と目標電流波形の差を電流誤差増幅器２０で増幅する。次いで、電流誤差増幅器２０の出力と三角波あるいはのこぎり波を発生する搬送波発振器１１と比較器１３で比較し、その結果得られるＰＷＭ波形がスイッチ１９の駆動信号となる。

このように制御することにより、直流電圧を所望の値に保ちつつ入力電流を正弦波状にするとともに入力力率の改善が可能となる。

一方、図６に示すように、スイッチを２石とし、電流が通過する半導体の数を２個とした直流電源装置も提案されている（例えば、特許文献２の図６参照）。この２石の高周波スイッチング方式直流電源装置の動作について詳細な説明は省くが、交流入力電源の極性に応じて、それぞれのスイッチが半周期ずつ交互に昇圧チョッパ動作をすることにより損失低減を図りつつ、入力電流を正弦波状とするとともに入力力率の改善を実現したものである。
特開平８−３２１４２５号公報 特開平１−１１７６５８号公報

しかしながら、従来の１石の高周波スイッチング方式直流電源装置においては、制御回路が複雑であるという課題とともに、装置内部を流れる電流がブリッジ整流回路とスイッチもしくは逆流防止ダイオードを通じて流れるため、電流が３個の半導体素子を通過することとなり、損失が大きいという課題が生じていた。また、スイッチに損失が集中するため放熱にも課題があり、装置容量の大容量化も困難であった。

また、従来の２石の高周波スイッチング方式直流電源装置では、１石の場合に比較して損失が低減できるという効果はあるが、制御回路の基本構成は変わらず、リアクトル電流を検出するための手段が必要であり、乗算器も必要であった。

そして、さらに２石としたことによって乗算器に入力する全波整流波形を非絶縁で簡単に検出できなくなるため、絶縁変圧器などからなる入力電圧検出手段が必要となり、さらに制御回路が複雑でコストが高くなるといった課題を有していた。

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、電流検出手段や乗算器、電流誤差増幅器を用いずに制御回路を構成し、さらに直流出力回路を４個のダイオードと２個のコンデンサから構成される倍電圧整流回路とすることで、高調波電流及び損失の低減と入力力率を改善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、４個のダイオードと２個のコンデンサから構成される倍電圧整流回路と、倍電圧整流回路の入力側に直列接続されるリアクトルと、倍電圧整流回路の直流出力を平滑する平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサの電圧を検出する直流電圧検出手段と、搬送波を出力する搬送波発振器と、所定の基準電圧を出力する目標電圧設定手段と、２個のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、２個のスイッチング素子のそれぞれに逆導通ダイオードを並列接続して構成された双方向スイッチと、スイッチング素子の駆動信号を出力するスイッチ制御駆動手段を備え、双方向スイッチを倍電圧整流回路の交流入力端間に接続したものである。

これによって、電流検出手段や乗算器、電流誤差増幅器を用いずに制御回路を構成し、直流出力回路を倍電圧整流回路とすることで直流電圧の昇圧が容易となりダイオード損失が低減できるので、高調波電流及び損失の低減と入力力率を改善できることとなる。

本発明の直流電源装置は、簡単な制御回路の構成で高周波スイッチング方式直流電源装置を構成することが可能となり、入力力率改善と高調波電流低減を低損失で実現するとともに制御回路の小型化と低コスト化が可能となる。

第１の発明は、４個のダイオードと２個のコンデンサから構成される倍電圧整流回路と、倍電圧整流回路の入力側に直列接続されるリアクトルと、倍電圧整流回路の直流出力を平滑する平滑用コンデンサと、平滑用コンデンサの電圧を検出する直流電圧検出手段と、搬送波を出力する搬送波発振器と、所定の基準電圧を出力する目標電圧設定手段と、２個のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、２個のスイッチング素子のそれぞれに逆導通ダイオードを並列接続して構成された双方向スイッチと、スイッチング素子の駆動信号を出力するスイッチ制御駆動手段を備え、双方向スイッチを倍電圧整流回路の交流入力端間に接続したことにより、電流検出手段や乗算器、電流誤差増幅器を用いずに制御回路を構成し、直流出力回路を倍電圧整流回路とすることで直流電圧の昇圧が容易となりダイオード損失が低減できるので、高調波電流及び損失の低減と入力力率を改善することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明のスイッチ制御駆動手段は、２個のスイッチング素子の最大オン時間を制限するものである。これにより、重負荷時の電流波形のひずみを抑制するとともにスイッチに流れる過電流を防止することが可能となる。

第３の発明は、特に、第２の発明のスイッチ制御駆動手段は、入力電圧の位相に応じて、２個のスイッチング素子の最大オン時間の制限を変更するものであり、入力電圧が高い位相において最大オン時間を小さく設定するものである。これにより、リアクトルに流れる最大電流を制限することが可能となり、リアクトルの小型化が可能となる。

第４の発明は、特に、第１から第３の発明のスイッチ制御駆動手段は、負荷が大きくなるに従って目標とする直流電圧を高くすることで入力電流の正弦波制御可能範囲を高めたものである。これにより、入力電流を正弦波状に制御可能な範囲の拡大が可能となり、装置の高性能化を図ることができる。

第５の発明は、特に、第１から第４のいずれか１項記載の発明の直流電源装置は、損失を低減するとともに力率を改善することが可能であり、さらに電流検出手段や乗算器、電流誤差増幅器を用いずに制御回路が簡潔に構成できるので、直流電源部分の回路をコンパクトに構成できることから冷蔵庫の基板スペースをより省スペースにすることができる。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が、従来と同一構成については同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
尚、この実施の形態によってこの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が４個のダイオード４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄと２個の平滑用コンデンサ６ａ、６ｂから構成される倍電圧整流回路２３と接続され、スイッチング素子５ａとスイッチング素子５ｂが逆方向に接続され、かつスイッチング素子５ａと逆導通方向にダイオード４ｅが、スイッチング素子５ｂと逆導通方向にダイオード４ｆが接続されて構成された双方向スイッチ２４が、倍電圧整流回路２３の交流入力端間に接続されている。さらに、出力は平滑用コンデンサ６ｃによって平滑されて負荷７に電力を供給する。

図２は、本発明の第１の実施の形態におけるスイッチ制御駆動回路８の内部ブロック図の一例を示す図であり、図３は各部の電圧電流波形を示す図である。以下、図１から図３を用いて、本実施の形態における直流電源装置の動作について説明を行う。

まず、図２を用いて、スイッチ制御駆動回路８の動作について説明する。直流電圧検出回路９を構成する直流電圧検出信号は基準電圧と電圧誤差増幅器１２によってその差が増幅され、比較器１３で搬送波と比較される。この結果得られるＰＷＭ波形がスイッチング素子５ａ、５ｂの駆動信号となる。実際には電源電圧の極性により、一方のスイッチング素子にのみ電流が流れ、他方のスイッチング素子はオン信号が入力されても電流が流れず、逆導通ダイオードに電流が流れる。

さらに、図３を用いて、直流電圧の制御と入力電流の正弦波化が可能となることについて説明する。

直流電圧の制御は、図３（３）で示される電圧誤差増幅器出力と、図３（２）の搬送波を比較してＰＷＭ波形を得ることで可能となる。つまり、直流電圧が所望の値よりも低い場合は、図３（３）の電圧誤差増幅器出力が上昇し、図３（４）で示されるスイッチング素子駆動信号のパルス幅が広がることになり、結果として図３（５）のリアクトル電流が
大きくなり直流電圧を高めるよう動作する。また、逆に直流電圧が所望の値よりも高くなれば、リアクトル電流を小さくなるよう動作することで、直流電圧の制御が可能となる。

つぎに、入力電流についてであるが、図３（４）に示されるように、スイッチング素子５ａ、５ｂの駆動パルス幅は一定となる。このとき、リアクトル電流のピーク値は、リアクトル２のインダクタンスをＬとし、交流電源１の電圧瞬時値をＶとすれば、Ｖ＝Ｌ・ｄｉ／ｄｔの関係により、交流電源１の電圧瞬時値に比例することになる。

つまり、スイッチオフの期間に必ずリアクトル電流がゼロになる範囲においては、リアクトル電流の包絡線は図３（６）に示すように正弦波状となるのである。そして、フィルタコンデンサ３によって高周波成分を除去することで入力電流の正弦波化が可能となるのである。

また、図３に示されるように、リアクトル電流と交流電源電圧の位相は一致しており、入力力率についても高力率となる。

以上のように、本実施の形態における直流電源装置では、高調波電流低減と入力力率の改善といった基本的な機能を満足するとともに、従来の直流電源装置に比較して、絶縁変圧器などによる交流電源波形用の交流電圧検出手段、および、リアクトル電流を検出するための電流検出手段が不要となり、制御回路部についても乗算器や電流誤差増幅器などを用いないため、大幅に簡素化が図られており装置全体の小型化や低コスト化が可能となる。

さらに、本実施の形態における直流電源装置の主回路構成は、従来の直流電源装置が全波整流型であったのに対して倍電圧整流型となり、直流電圧は電源電圧のピーク値の２倍以上で制御できることとなる。つまり、高い目標電圧を得るための昇圧率を低くできるためダイオード損失の低減が可能となる。さらに、倍電圧整流回路２３にすることで従来の２石の直流電源装置より電流が通過する半導体素子の個数が低減するので、より損失を低減することができる。

なお、スイッチング素子５ａ、５ｂをＭＯＳＦＥＴにて構成することにより逆導通ダイオード４ｅ、４ｆを省略できると同時に、同期整流によりさらに損失を低減することができる。また、一つのスイッチング素子とダイオードブリッジを組み合わせて双方向スイッチ２４を構成しても良い。

また、平滑用コンデンサ６ｃは直流電圧のリプルを抑制するために挿入しているが、平滑用コンデンサ６ｃは接続してもしなくても、実施の形態１で説明した高調波電流及び損失の低減と入力力率を改善するといった基本的な効果については同様である。

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１のスイッチング素子５ａ、５ｂの最大オン時間を制限するものである。スイッチング素子がオフからオンとなるまでの間に毎回リアクトル電流がゼロになる電流不連続状態でおいてのみ入力電流の正弦波化が可能となるため、パルス幅を制限して電流連続状態とならないようにすることで過電流等の防止が可能となる。そして、パルス幅の上限をさらに絞ることによりリアクトル電流のピーク値を抑えることもでき、この場合はリアクトルの小型化も可能となる。

そして、リアクトルの小型化を一層進めるために、交流電源電圧位相に応じてパルス幅上限を変更し、リアクトル電流のピーク値をおさえつつ電力供給能力を高めることも可能となる。つまり、入力電圧のピーク付近でパルス幅の上限を小さく設定し、他の領域でパ
ルス幅上限を大きくすることで力率をほとんど低下させることなく、入力電流の実効値を上げることができるため電力供給能力が高まるものである。

また、電流不連続の領域を広げるために、負荷に応じて目標直流電圧値を変更してもよい。直流電圧が低ければ、リアクトル電流がゼロになるまでの時間が長くかかり、入力電流の正弦波制御可能な運転領域が狭くなる。そこで、負荷が大きくなるにつれて目標直流電圧値を上げてリアクトル電流が減少する電流変化率を大きくすることで、スイッチング素子のオン時間を広げることが可能となり運転領域の拡大を図ることが可能となる。

さらに、本発明の直流電源装置は、損失を低減するとともに力率を改善することが可能であり、さらに電流検出手段や乗算器、電流誤差増幅器を用いずに制御回路が簡潔に構成できるので、直流電源部分の回路をコンパクトに構成できることから冷蔵庫の基板スペースをより省スペースにすることができる。

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、高調波電流を低減するとともに力率を改善することが可能な直流電源装置において、騒音の低減と部品点数削減、制御回路部の簡素化が可能となるので、汎用インバータの入力段回路やエアコンまたは冷蔵庫などのコンプレッサーを用いた家電機器の入力段回路の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１による直流電源装置のブロック図 本発明の実施の形態１におけるスイッチ制御駆動手段のブロック図 本発明の実施の形態１による直流電源装置の各部の波形図 従来の直流電源装置（１石式）のブロック図 従来の直流電源装置における制御回路のブロック図 従来の直流電源装置（２石式）のブロック図

１ 交流電源
２ リアクトル
３ フィルタコンデンサ
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ、４ｅ、４ｆ ダイオード
５ａ，５ｂ スイッチング素子
６ａ，６ｂ、６ｃ 平滑用コンデンサ
７ 負荷
８ スイッチ制御駆動回路（スイッチ制御駆動手段）
９ 直流電圧検出回路（直流電圧検出手段）
１０ 目標電圧設定回路（目標電圧設定手段）
１１ 搬送波発振器
１２ 電圧誤差増幅器
１３ 比較器
２３ 倍電圧整流回路
２４ 双方向スイッチ

Claims (5)

1. ４個のダイオードと２個のコンデンサから構成される倍電圧整流回路と、前記倍電圧整流回路の入力側に直列接続されるリアクトルと、前記倍電圧整流回路の直流出力を平滑する平滑用コンデンサと、前記平滑用コンデンサの電圧を検出する直流電圧検出手段と、搬送波を出力する搬送波発振器と、所定の基準電圧を出力する目標電圧設定手段と、２個のスイッチング素子を逆方向に直列接続し、前記２個のスイッチング素子のそれぞれに逆導通ダイオードを並列接続して構成された双方向スイッチと、前記スイッチング素子の駆動信号を出力するスイッチ制御駆動手段を備え、前記双方向スイッチを前記倍電圧整流回路の交流入力端間に接続した直流電源装置。
2. 前記スイッチ制御駆動手段は、前記２個のスイッチング素子の最大オン時間を制限する請求項１に記載の直流電源装置。
3. 前記スイッチ制御駆動手段は、入力電圧の位相に応じて、前記２個のスイッチング素子の最大オン時間の制限を変更する請求項２に記載の直流電源装置。
4. 前記スイッチ制御駆動手段は、負荷の大きさに応じて目標とする直流電圧を変更する請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流電源装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の直流電源装置を備えた冷蔵庫。

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